Сварка в космосе

  • 13 апреля 2018 10:45:51
  • Отзывы : 0
  • Просмотров: 363
  • 0

Сварка в космосе – результат более чем 20-летних исследований Института электросварки имени Е.А. Патона.


В начале 60-х годов прошлого столетия по инициативе главного конструктора ракетно-космических систем академика С.П. Королёва была поставлена принципиально новая задача – исследовать возможность выполнения сварки непосредственно в космосе. Научным руководителем всего комплекса исследований являлся академик Б.Е. Патон.

При выполнении исследований полагалась, что сварка в космосе будет использоваться для выполнения следующих работ:

а) ремонт космических кораблей, орбитальных станций и разных металлоконструкций, которые находятся в открытом космосе, на Луне и прочих планетах;

б) сборка и монтаж металлоконструкций, которые находятся в орбитальном полёте или помещаются на поверхности Луны и планет.

Условия в космосе, как известно, значительно отличаются от земных. Глубокий вакуум, невесомость, перепад температур, излучения, электрические и магнитные поля Земли и прочих планет оказывают существенное влияние на характер физико-химических процессов, что протекают при сварке, и на условия работы сварщика. В связи с этим было необходимо разработать технику и технологию выполнения сварочных работ, которые бы учитывали перечисленные выше особенности.

На Земле тяжело воссоздать условия межпланетного окружения. Потому предыдущие исследования исполнялись по этапам, на каждом из которых имитировались отдельные особенности космического пространства (вакуум, невесомость и др.).

Прежде всего была поставленная задача выбора наиболее перспективных для условий космоса способов сварки. В качества критериев были отобранные следующие характеристики способов сварки:

-         универсальность;

-         возможность выполнения резки металлов;

-         высокая надёжность;

-         возможность автоматизации;

-         трудоспособность в вакууме и невесомости.

Проведённый анализ показал, что наиболее перспективный для применения в космосе появляются электронно-лучевая сварка, сварка сжатой дугой низкого давления и плавящимся электродом, а также контактная точечная сварка.

Эксперименты проводились в 1965 году в летающей лаборатории ТУ-104, которая позволяет кратковременно (до 25 – 30 сек.) создавать состояние невесомости.

Электронно-лучевая сварка и резка разных металлов производились при постоянной мощности пучка 1 КВТ, силе тока 70 МА и скорости сварки (резки) 30 м/ч. При визуальном наблюдении за ходом сварки и резки в условиях невесомости и перегрузок не было установленно внешних различий по сравнению с процессами в земных условиях. На основании проведённых опытов были сделаны обоснованные выводы о том, что в условиях невесомости можно получать качественные сварные соединения разных металлов и сплавов. Процесс электронно-лучевой резки также протекает без заметных изменений в сравнения с обычными земными условиями.

На основании проведённых опытов па сварке и резке сжатой дугой низкого давления было установленно следующее. В условиях динамической невесомости можно получать качественные стыковые, отбортованные и наведённые сварные соединения. Колебания режимов сварки в границах 20% практически не отражаются на качестве сварного соединения. При сварке сжатой дугой металлов малой толщины размеры сварочной ванны малы и формирование швов практически не зависит от сил гравитации, а определяется силами поверхностного натяжения. Для условий космоса может быть перспективным способ микроплазменной сварки. Он даёт высокую концентрацию энергии, соизмеримую с электронным лучом, и соответственно пригодный для сварки и резки тонких деталей.

Клещи для точечной сварки были выполнены с установленным трансформатором 1 кВт и весом 1,5 кг. Космические условия не повлияли на процесс точечной сварки. В этом случае невесомость влияет только на условия работы человека.

На базе проведённых исследований была разработана и произведена специальная сварочная установка “Вулкан” для проверки названных выше видов сварки в условиях космоса.

В соответствия с общей программой космических исследований первый в мире эксперимент по сварке в космосе был выполнен 16 октября 1969 года на космическом корабле “Союз-6” лётчиками-космонавтами Г.С. Шониным и В.Н. Кубасовым. Используя установку “Вулкан”, космонавты запустили автоматические процессы сварки электронным лучом, сжатой дугой низкого давления и плавящимся электродом.

В условиях орбитального полёта с помощью острофокусного электронного луча были выполнены:

-         автоматическая сварка тонколистовой нержавеющей стали и титанового сплава;

-         разделительная резка сплавов алюминия и титана;

-         исследования поведения ванны расплавленного металла большего объёма, чем в условиях летающей лаборатории.

Было показанно, что процессы плавления, сварки и резки электронным лучом на орбите протекают стабильно, обеспечивая необходимые условия для нормального формирования сварных соединений и поверхностей резов.

Основные параметры режима сварки плавящимся электродом, а также структура шва и зоны термического влияния, полученные на корабле “Союз-6”, оставались практически такими же, как и в летающей лаборатории. Форма и качество швов, полученных этим способом на нержавеющих сталях класса 18-8 и титановых сплавов, были целиком удовлетворительными.

Сварка сжатой дугой низкого давления на установке “Вулкан” не дала ожидаемых итогов.

Эксперимент па сварке в космосе открыл новую страницу в освоении Вселенной. Впервые в мировой практике в космическом пространстве осуществлён технологический процесс, связанный с нагревом и плавлением металла. В целом до начале 70-х гг ХХ века вопрос о принципиальной возможности автоматической сварки и резки в космосе был решен положительно. В то же время существовала номенклатура работ, в том числе практически все виды ремонта, которые не могли исполняться с использованием автоматических процессов. Потому на следующем этапе исследований была поставленная задача по разработке аппаратуры и технологии ручной сварки и резки в космосе.
Ещё в период испытаний установки “Вулкан” специалисты Института электросварки имени Е.А. Патона задумывались над созданием компактного, ранцевого универсального инструмента с автономным источником питания, который мог бы разрешить космонавту проводить работы, связанные с ремонтом или монтажом, на любом участке поверхности космического объекта. Необходимые для этих целей операции – резка, сварка, пайка и нанесение покрытий, а средство воздействия на материалы – электронный луч.
После многочисленных исследований на земле, в барокамере, в летающей лаборатории был разработанный универсальный ручной инструмент.

Все узлы инструмента находятся в контейнере размером 400х450х500 мм, сваренным из трубчатых элементов, что обеспечила ему достаточную жёсткость при малой массе. В контейнере смонтированы: вторичный источник питания с пультом, кабели, которые объединят источник питания с бортовой розеткой и ручным инструментом, собственно сам рабочий инструмент в специальном ложементе. Контейнер можно носить   плечами или закреплять на внешней поверхности орбитальной станции. К контейнеру закрепляется планшет с образцами материалов для сварки, резки, пайки и нанесения покрытий. Рабочий инструмент – это моноблок, который включает в себя высоковольтный источник питания и две электронные пушки. Одна из их предназначенная для выполнения технологических операций резки, сварки и пайки, а вторая – для нанесения покрытий. В этой пушке фокусирующая система заменена тиглем, из которого испаряется металл. Масса универсального ручного инструмента немногим более 30 кг, а моноблок, которым оперирует космонавт, не более   2,5 кг, Потребляемая мощность – 750 Вт, и её можно регулировать в зависимости от режима работы и обрабатываемого материала.

Универсальный ручной инструмент был включен в состав научной аппаратуры станции “Салют-7”.

25 июля 1984 г. космонавты У. Джанибеков и С. Савицкая вышли в открытый космос. У. Джанибеков оборудовал сварочный пост и подготовил инструмент к работе. Рабочее место операторо-сварщика отвечало всем требованиям техники безопасности. С. Савицкая исполнила операции резки, сварки, пайки и нанесения покрытий. Работа в открытом космосе продолжалась три часа.

Результаты проведённых исследований на установке “Вулкан” и посредством универсального ручного инструмента убедительно показали, что в космосе операции соединения металлов, резки и нанесения покрытий могут успешно использоваться для любых ремонтных и монтажных работ.

В 1986 г. космонавты Л. Кизим и У. Соловьёв продолжили эксперименты, соединяя элементы крупногабаритных фермовых конструкций. Одновременно были разработаны методы, технология и аппаратура для сборки и ремонта конструкций в космосе. Логичным завершением этих работ появилось создание в ИЭС им. Е.А. Патона комплекса электронно-лучевой сварочной аппаратуры “Универсал”, предназначенной для оснащения больших орбитальных станций типа “Мир-2”. “Универсал” имеет в своём составе четыре электронно-лучевых инструмента и ряд вспомогательных приспособлений, что позволяют исполнять в космосе сварочные работы широкого диапазона при профилактическом обслуживании и ремонте разных космических аппаратов. В 1990 – 1991 гг. комплекс прошёл наземные исследования и получил высокую оценку.


 
 
Метки: ПАТОН