Зварювання в космосі

1)невагомість,

2)глибокий вакуум при високій швидкості відкачки (дифузії)газів і парів,

3)широкий інтервал температур, при яких може знаходитисязварюваний виріб (орієнтовно від 180 до 400 К).

Слід було враховувати і ряд додаткових несприятливихфакторів, які мають негативний вплив на якість зварюванихз'єднань (вкрай обмежена рухливість оператора у відкритому космосі, складністьфіксації та орієнтації, наявність різного роду випромінювань і т. п.).

Приступаючи до виконання поставленого завдання, перш за все,належало з усього різноманіття існуючих способів зварювання вибрати найбільшперспективні у відношенні можливості їх використання в таких незвичайних умовах.При цьому керувалися специфічно зварювальними критеріями оцінки (універсальність,технологічність, простота, можливість виконання різання), а також критеріями,прийнятими для космічного устаткування (висока надійність, безпеку,мала енергоємність, мінімальні маса й об'єм і т. п. На перших етапахдосліджень були відібрані наступні способи зварювання: електронно-променева,дугова плавким електродом, плазмова, контактна, холодна і дифузійна.

Накопичений на Землі досвід дозволив зробити висновок, що такіспособи зварювання, як дифузійна, холодна та контактна, не пов'язані знаявністю газів в зоні зварювання, з інтенсивним нагріванням і розплавленням великогообсягу металу, можуть бути цілком працездатними в умовах космічного вакуумуі невагомості. Тому використання їх в космосі не зажадає проведенняяких спеціальних досліджень.

Однак область застосування цих способів обмежена їх малоюуніверсальністю і необхідністю ретельної підготовки і підгонки зварюванихповерхонь. У той же час такі досить універсальні й ефективніспособи зварювання, як електронно-променева, плазмова та дугова, відрізняються відносновеликим обсягом розплавляється металу і виділенням в зоні зварювання різнихгазів і парів, що робить їх застосування в космосі проблематичним. Тому передвикористанням цих способів необхідно було провести ретельні дослідження вумовах, що імітують космічні.

Вперше такі дослідження були виконані в 1965 р.на літаючої лабораторії ТУ-104, що дозволяє короткочасно (до 25-30 с)відтворювати стан невагомості. Для проведення досліджень був створенийкомплекс обладнання А-1084, що складається з ряду вакуумних камер, механічнихфорвакуумних та сорбційно-геттерних високовакуумних насосів, що реєструютьприладів (звичайні та швидкісні кінокамери, осцилографи) і апаратуриуправління. Весь комплекс обладнання розміщувався в салоні літаючої лабораторії(Рис. 1).

На кришках кожної з камер могли встановлюватисяавтоматичні пристрої для зварювання різними методами -

електронним променем, стислою дугою низького тиску і дугою зплавким електродом.

Оскільки в конструкціях космічних об'єктів, як правило,не використовується метал великої товщини, потужність цих зварювальних пристроїв не перевищувала1,5 кВт. Проведені дослідження дозволили виявити найбільш характерніособливості зварювання в умовах невагомості і вакууму. Коротенько вони зводяться донаступного.

Рис. 1.Розміщення зварювального обладнання в салоні літаючої лабораторії ТУ 104

При електронно-променевому зварюванні і різанні тиск пучка іреактивне тиск парів металу прагнуть витіснити рідку ванночку із зониплавлення. Тому дуже важливо було встановити, чи зможе розплавлений металутримуватися в шві або в порожнини різу при роботі в невагомості. Експериментипоказали, що величина сили поверхневого натягу при електронно-променевоїзварюванні цілком достатня для надійного утримання металу і нормальногоформування шва. Так само надійно виконувалася і різання. Причому розплавленийметал не віддалявся з порожнини різу у вигляді крапель, чого можна було побоюватися, алокалізувався на кромках розрізаються листів.

Значні труднощі довелося подолати призварюванні стислій дугою низького тиску плавким і неплавким електродами.Необхідно було розробити надійні методи контрагірованія плазми дуги вглибокому вакуумі при високій швидкості відкачування та прийоми активного управлінняплавленням і перенесенням електродного металу в невагомості. Справа в тому, щодугові процеси при низькому тиску пов'язані зі значною розфокусуваннямдуги і, як наслідок, з різким зменшенням її проплавляются здібності, а розплавляютьв невагомості електродний метал переходить в шов у вигляді крапель надзвичайновеликого розміру. Тому дослідникам довелося приділити велику увагурозробці спеціальних способів і пристроїв для фокусування дуги і плазми ввакуумі, а також пошукам шляхів ефективного управління плавленням і перенесеннямелектродного металу.

Рис.2Установка В«ВулканВ»

Експерименти на літаючої лабораторії допомогли вирішити і цізавдання. Тим самим були створені передумови для проведення зварювальних робітбезпосередньо в космосі.

На базі проведених досліджень була розроблена івиготовлена ​​спеціальна зварювальна установка В«ВулканВ», призначення якоїполягало в перевірці можливості використання названих вище способів зварюванняв умовах космосу. В«ВулканВ» являв собою комплексне, повністюавтономний пристрій (рис.2), що дозволяє виконувати автоматичнуелектронно-променеву зварку і дугове зварювання плавким і неплавкимелектродами.

Установка складалася з двох основних відсіків. В одному -негерметичному - розташовувалися зварювальні пристрої та сполучаються зразки; в іншому- Герметичному - блоки енергоживлення, прилади керування, вимірювальні таперетворюють пристрої, засоби автоматики. Сам В«ВулканВ» був встановлений в побутовомувідсіку космічного корабля В«СоюзВ», а пульт управління - в спусковому апараті.Вага установки - не перевищував 50 кг.

У відповідності із ...загальною програмою космічних дослідженьперший в світі експеримент зі зварювання в космосі був виконаний 16 жовтня 1969 р.накосмічному кораблі, В«Союз-6В». льотчиками-космонавтами Г. С. Шонін і В. Н. Кубасовим.Після розгерметизації побутового відсіку космонавт-оператор В. Н. Кубасов,знаходився в спусковому апараті, включив автоматичне зварювання стислою дугоюнизького тиску. Услід за цим він привів у дію автоматичні пристроїдля зварювання електронним променем і плавким електродом. Під час кожного досвідукосмонавт спостерігав за роботою установки по сигнальним табло на пультіуправління. Дані про режим зварювання та умови проведення експериментупередавалися на Землю і фіксувалися самописними приладами.

Виконаний у космосі експеримент підтвердив зробленіраніше основні припущення та результати досліджень, отримані на літаючоїлабораторії. Було показано, що безпосередньо в космосі процеси плавлення,зварювання та різання електронним променем протікають стабільно; забезпечуютьсянеобхідні умови для нормального формування зварних з'єднань і різів.

Основні параметри режиму зварювання плавким електродом, атакож структура шва і зони термічного впливу, отримані на корабліВ«Союз-6В», залишалися практично такими ж, як і на літаючої лабораторії.Форма і якість швів, одержуваних цими способами на нержавіючих сталях класу18-8 і титанових сплавах, були цілком задовільними.

В той же час було виявлено і ряд аномалій, викликаних, подумку дослідників, невагомістю і специфічними умовами космічноговакууму. Так, наприклад, при електронно-променевому зварюванні алюмінієвих сплавів в космосібула виявлена ​​значно більша пористість швів, ніж на Землі (зварюваннястислою дугою низького тиску на установці В«ВулканВ» не дала очікуваних результатів.Мабуть, швидкість дифузії плазмоутворюючого газу в навколишній корабельпростір перевищила очікувану. Тому його концентрація в дуговому проміжкувиявилося недостатньою для контрагірованія стислої дуги.

Малогабаритні зварювальні пристрої, включені в комплексустановки В«ВулканВ», показали достатню надійність і працездатність вумовах космосу. Принципові рішення, прийняті при розробці цихпристроїв, виявилися правильними і придатними для конструювання зварювальнихустановок, призначених для зварювання в космосі конкретних виробів.

Таким чином, до початку 70-х років питання про принциповуможливості виконання автоматичного зварювання в космосі було вирішено позитивно.У той же час існувала велика категорія робіт, в тому числі майже всі видиремонту, які практично не могли б бути виконані з використанням автоматичноїзварювання. Тому досить актуальною представлялася завдання по дослідженнюможливості виконання ручного зварювання в космосі. Причому були вагомі підставипобоюватися, що космонавт-оператор, споряджений в космічний скафандр підзначним надлишковим тиском, через вкрай обмежену рухливості незможе якісно виконувати такий професійно складний процес, як зварювання.Завдання ускладнювалась ще й необхідністю забезпечення повної безпекиоператора.

Все сказане змусило на початкових етапах відмовитисявід роботи в космічному скафандрі безпосередньо у вакуумі. Було знайденокомпромісне рішення. Для проведення досліджень по ручному зварюванні в умовах,максимально наближених до космічних, Інститутом електрозварювання ім. Є. О.Патона в 1972 р. розроблений спеціальний випробувальний стенд 06-1469 (рис. 3).

Рис. 3. Стенд тренажер для дослідження ручного зварювання в умовах, що імітуютькосмічні

Стенд являв собою герметичну робочу камеру об'ємомблизько 0,8 м3, на передній стінці якої монтувався спеціальний фрагменткосмічного скафандра. Між фрагментом і камерою міг створюватися необхідний перепадтиску, найбільш повно відтворює реальні умови роботи космонавта.Усередині робочої камери розміщувалися інструменти та ручні зварювальні пристрої.Скління гермошлема скафандра забезпечувалося набором змінних світлофільтрів,дозволяють працювати з джерелами нагріву різної яскравості. Найбільш важливимконструктивним перевагою стенду було надійне забезпечення безпекиоператора при випадкових розгерметизації, що забезпечувало сприятливепсихологічну обстановку при роботі з високотемпературними об'єктами. Великезначення мали також можливість вільного медико-біологічного контролю застаном оператора і зручність проведення різних ергономічнихдосліджень.

Одночасно зі стендом в Інституті електрозварюванняім. Є. О. Патона розроблено комплекс спеціальних космічних інструментівА-1500, що дозволяють виконувати зварювання різними способами. Спочатку експериментипроводилися в наземних лабораторіях, причому в цьому випадку робоча камера зазвичайзаповнювалася інертним або вуглекислим газом.

На більш пізніх етапах дослідження були перенесені налітаючу лабораторію і в вакуум. Експерименти не підтвердили висловлених вищепобоювань. Навпаки, виявилося, що після певної нетривалої тренуванняоператори (навіть не професійні зварювальники) могли якісно виконуватиручну зварку різних зварних з'єднань - стикових, кутових, напускових -на таких металах, як нержавіючі сталі, алюмінієві і титанові сплави.З'ясувалося також, що при дуговому зварюванні в інертному газі плавким електродомпри невагомості небезпека прожогов значно менше, ніж на Землі. Це булопояснено специфічними умовами існування зварювальної ванни при відсутностісили тяжіння.

Такі обнадійливі результати дозволили зробити спробувиконати вручну і електронно-променеву зварку - процес, що відрізняється дужевисокою концентрацією теплової енергії в плямі нагріву. Для цієї мети розробленаспеціальна ручна електронна гармата (рис. 4), яка дозволила з використаннямстенду 06-1469 успішно провести ряд експериментів по ручний електронно-променевоїзварюванні. Експерименти показали, що цей спосіб має великі потенційніможливості для застосування його в космічних умовах.

Робота у відкритому космосі висуває дуже високівимоги до ергономічним аспектам конструювання зварювального обладнання, вособливості для ручного зварювання. В цьому напрямку Інститутом електрозварювання і Центромпідготовки космонавтів ім. Ю. А. Гагаріна в 1972-1977 рр.. виконано ряд важливихекспериментальних досліджень. У ці ж роки тривали і технологічнідослідження, що стосуються, зокрема, відпрацювання технології зварювання найбільшперспективних для космічного апаратобудування алюмінієвих сплавів. Буввиявлено низку характерних особливостей зварювання цих сплавів в умовах невагомості.Зроблені спроби вишукати заходи боротьби з підвищеною пористістю.

Рис.4. Електронна гармата для ручного зварювання

Слід зазначити, що протягом 70-х років роботи позварюванні в космосі проводилися широким фронтом. Було запропоновано використовувати вкосмічних умовах ряд нових перспективних способів зварювання, таких, наприклад,як геліосварка, магнітоімпульсная зварювання, зварювання вибухом, екзотермічназварювання і пайка і т. п. Крім Інституту електрозварювання, в проведення дослідженьвключилися Інститут проблем матеріалознавства АН УРСР, МВТУ ім. Н. Е. Баумана,Московський авіаційний інститут ім. С. Орджонікідзе, Інститут металургії ім.А. А. Байкова АН СРСР, Інститут космічних досліджень АН СРСР та ін Цесприяє прискореному вирішенню проблем, що стоять перед зварниками, працюючимив галузі космічних досліджень.

2.Методи і способи зварювання в космосі

2.1 Плазмова зварювання

Один з перспективних способів зварювання - плазмовазварювання - проводиться плазмової пальником. Сутність цього способу зварюванняполягає в тому, що дуга горить між вольфрамовим електродом і виробом іпродувається потоком газу, в результаті чого утворюється плазма, використовувана длявисокотемпературного нагріву металу. Перспективна різновид плазмовоїзварювання - зварювання стислою дугою (гази стовпа дуги, проход...ячи через каліброванийканал сопла пальника, витягуються в тонкий струмінь). При стисненні дуги міняються їївластивості: значно підвищується напруга дуги, різко зростає температура(До 20000-30000 С). Плазмова зварювання отримала промислове застосування дляз'єднання тугоплавких металів, причому автомати і напівавтомати для дуговоїзварювання легко можуть бути пристосовані для плазмової при відповідній замініпальника. Плазмову зварку використовують як для з'єднання металів великихтовщин (багатошарова зварка із захистом аргоном), так і для з'єднання пластин ідроту товщиною від десятків мкм до 1 мм (мікрозварювання, зварювання. голчастоюдугою). Плазмовим струменем можна здійснювати також інші види плазмовоїобробки, в тому числі плазмове різання металів.

2.2 Електронно-променева (електронна) зварювання

Електронно-променева (електронна) зварювання виробляєтьсясфокусованим потоком електронів. Виріб поміщається в камеру, в якійпідтримується вакуум (10-2-10-4 н/м2), необхідний для вільного рухуелектронів і збереження концентрованого пучка електронів. Від потужного джерелаоболонку.

Висновок

Література

1.

2.1978.

3.

4.

5.

6.Україні.

7.