Зміст
Введення
1. Історія зварювання в космосі
2. Методи і способи зварювання в космосі
2.1 Плазмова зварка
2.2 Електронно-променева (електронна) зварювання
Висновок
Література
Введення
В кінці 50-х років нашого століття народилася нова галузь людської діяльності - космонавтика. Про це на весь світ сповістили сигнали першого радянського супутника Землі, утвердивши тим самим провідну роль нашої країни в освоєнні космічного простору.
Космонавтика поставила широке коло завдань і перед зварниками: потрібно докорінно переглянути і вдосконалити багато технологічні процеси, створити технологію зварювання спеціальних легких і жароміцних сплавів, розробити і освоїти виготовлення високонадійного автоматизованого зварювального обладнання. А на початку 60-х років з ініціативи головного конструктора ракетно-космічних систем академіка С. П. Корольова була поставлена принципово нове завдання - дослідити можливість виконання зварювання безпосередньо в космосі. Вирішення цього завдання було доручено Інституту електрозварювання ім. Є. О. Патона АН УРСР. До досліджень були залучені провідні колективи інституту, керовані Д. А. Дудко, І. К. Походня, В. К. Лебедєвим, Б. А. Мовчаном, В. Є. Патоном, О. К. Назаренко. Науковим керівником усього комплексу досліджень був академік Б. Є. Патон.
1. Історія зварювання в космосі
При проведенні досліджень передбачалося, що зварювання в космосі буде використовуватися в основному для виконання наступних робіт:
а) ремонт космічних кораблів, орбітальних станцій і різних металоконструкцій, що перебувають у космічному польоті або на Місяці та інших планетах;
б) складання та монтаж металоконструкцій, що знаходяться в орбітальному польоті або розташованих на поверхні Місяця та інших планет.
Необхідно було розробити техніку і технологію виконання зварювальних робіт у принципово нової для людини середовищі - космічному просторі, основними відмінностями якого є:
1) невагомість,
2) глибокий вакуум при високій швидкості відкачки (дифузії) газів і парів,
3) широкий інтервал температур, при яких може перебувати виріб, що зварюється (орієнтовно від 180 до 400 К).
Слід було враховувати і ряд додаткових несприятливих факторів, які мають негативний вплив на якість зварювальних з'єднань (вкрай обмежена рухливість оператора у відкритому космосі, складність фіксації та орієнтації, наявність різного роду випромінювань і т. п.).
Приступаючи до виконання поставленого завдання, перш за все, створити з усього різноманіття існуючих способів зварювання вибрати найбільш перспективні щодо 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, безпека, мала енергоємність, мінімальні маса і об'єм і т. п. На перших етапах досліджень були відібрані такі способи зварювання: електронно-променева, дугова плавиться, плазмова, контактна, холодна і дифузійна.
Накопичений на Землі досвід дозволив зробити висновок, що такі способи зварювання, як дифузійна, холодна та контактна, не пов'язані з наявністю газів в зоні зварювання, з інтенсивним нагріванням і розплавленням великого обсягу металу, можуть бути цілком працездатними в умовах космічного вакууму і невагомості. Тому використання їх в космосі не зажадає проведення будь-яких спеціальних досліджень.
Однак область застосування цих способів обмежена їх малої універсальністю і необхідністю ретельної підготовки і підгонки зварюваних поверхонь. У той же час такі досить універсальні й ефективні способи зварювання, як електронно-променева, плазмова та дугова, відрізняються відносно великим обсягом розплавляється металу і виділенням в зоні зварювання різних газів і парів, що робить їх застосування в космосі проблематичним. Тому перед використанням цих способів необхідно було провести ретельні дослідження в умовах, 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 створений комплекс обладнання А-1084, що складається з ряду вакуумних камер, механічних форвакуумних та сорбційно-гетерні високовакуумних насосів, реєструючих приладів (звичайні та швидкісні кінокамери, осцилографи) і апаратури управління. Весь комплекс устаткування розміщувався в салоні літаючої лабораторії (рис. 1).
На кришках кожної з камер могли встановлюватися автоматичні пристрої для зварювання різними методами -
електронним променем, стиснутої дугою низького тиску і дугою з плавким електродом.
Оскільки в конструкціях космічних об'єктів, як правило, не використовується метал великої товщини, потужність цих зварювальних пристроїв не перевищувала 1,5 кВт. Проведені дослідження дозволили виявити найбільш характерні особливості зварювання в умовах невагомості і вакууму. Коротенько вони зводяться до наступного.
Рис. 1. Розміщення зварювального обладнання в салоні літаючої лабораторії ТУ 104
При електронно-променевому зварюванні і різанні тиск пучка і реактивне тиск парів металу прагнуть витіснити рідку ванночку із зони плавлення. Тому дуже важливо було встановити, чи зможе розплавлений метал утримуватися у шві або в порожнині різу при роботі в невагомості. Експерименти показали, що величина сили поверхневого натягу при електронно-променевому зварюванні цілком достатня для надійного утримання металу і нормального формування шва. Так само надійно виконувалася і різка. Причому розплавлений метал не віддалявся з порожнини різу у вигляді крапель, чого можна було побоюватися, а локалізувався на крайках розрізають аркушів.
Значні труднощі довелося подолати під час зварювання стислій дугою низького тиску плавиться і неплавким електродами. Необхідно було розробити надійні методи контрагірованія плазми дуги в глибокому вакуумі при високій швидкості відкачки і прийоми активного управління плавленням і перенесенням електродного металу в невагомості. Справа в тому, що дугові процеси при низькому тиску пов'язані зі значною розфокусуванням дуги і, як наслідок, з різким зменшенням її проплавляються здібності, а розплавляється в невагомості електродний метал переходить в шов у вигляді крапель надзвичайно великого розміру. Тому дослідникам довелося приділити велику увагу розробці спеціальних способів і пристроїв для фокусування дуги і плазми у вакуумі, а також пошукам шляхів ефективного управління плавленням і перенесенням електродного металу.
Рис.2 Установка «Вулкан»
Експерименти на літаючій лабораторії допомогли вирішити і ці завдання. Тим самим були створені передумови для проведення зварювальних робіт безпосередньо у космосі.
На базі проведених досліджень була розроблена і виготовлена спеціальна зварювальна установка «Вулкан», призначення якої полягало в перевірці можливості використання названих вище способів зварювання в умовах космосу. «Вулкан» представляв собою комплексне, повністю автономний пристрій (рис.2), що дозволяє виконувати автоматичну електронно-променеву зварку і дугове зварювання плавким і неплавким електродами.
Установка складалася з двох основних відсіків. В одному - негерметичному - розташовувалися зварювальні пристрої і з'єднуються зразки; в іншому - герметичному - блоки енергоживлення, прилади управління, вимірювальні і перетворюють пристрої, засоби автоматики. Сам «Вулкан» був встановлений в побутовому відсіку космічного корабля «Союз», а пульт управління - в спусковому апараті. Вага установки - не перевищував 50 кг.
Відповідно до загальної програми космічних досліджень перший в світі експеримент зі зварювання у космосі був виконаний 16 жовтня 1969 р. на космічному кораблі, «Союз-6». льотчиками-космонавтами Г. С. Шонін і В. Н. Кубасовим. Після розгерметизації побутового відсіку космонавт-оператор В. М. Кубасов, що знаходився в спусковому апараті, включив автоматичне зварювання стислій дугою низького тиску. Слідом за цим він привів у дію автоматичні пристрої для зварювання електронним променем і плавиться. Під час кожного досвіду космонавт спостерігав за роботою установки по сигнальних табло на пульті управління. Дані про режим зварювання та умови проведення експерименту передавалися на Землю і фіксувалися самописними приладами.
Виконаний у космосі експеримент підтвердив зроблені раніше основні припущення та результати досліджень, отримані на літаючій лабораторії. Було показано, що безпосередньо в космосі процеси плавлення, зварювання та різання електронним променем протікають стабільно; забезпечуються необхідні умови для нормального формування зварних з'єднань і різів.
Основні параметри режиму зварювання плавким електродом, а також структура шва і зони термічного впливу, отримані на кораблі «Союз-6», залишалися практично такими ж, як і на літаючій лабораторії. Форма і якість швів, одержуваних цими способами на нержавіючих сталях класу 18-8 і титанових сплавах, були цілком задовільними.
У той же час був виявлений і ряд аномалій, викликаних, на думку дослідників, невагомістю і специфічними умовами космічного вакууму. Так, наприклад, при електронно-променевому зварюванні алюмінієвих сплавів у космосі була виявлена значно більша пористість швів, ніж на Землі (зварювання стислій дугою низького тиску на установці «Вулкан» не дала очікуваних результатів. Мабуть, швидкість дифузії плазмообразующего газу в навколишній корабель простір перевищила очікувану. Тому його концентрація в дуговому проміжку виявилося недостатньою для контрагірованія стислій дуги.
Малогабаритні зварювальні пристрої, включені в комплекс установки «Вулкан», показали достатню надійність і працездатність в умовах космосу. Принципові рішення, прийняті при розробці цих пристроїв, виявилися правильними і придатними для конструювання зварювальних установок, призначених для зварювання в космосі конкретних виробів.
Таким чином, до початку 70-х років питання про принципову можливість виконання автоматичного зварювання в космосі було вирішене позитивно. У той же час існувала велика категорія робіт, у тому числі майже всі види ремонту, які практично не могли б бути виконані з використанням автоматичного зварювання. Тому досить актуальною представлялася завдання з дослідження можливості виконання ручного зварювання в космосі. Причому були вагомі підстави побоюватися, що космонавт-оператор, споряджений в космічний скафандр під значним надлишковим тиском, через вкрай обмеженою рухливості не зможе якісно виконувати такий професійно складний процес, як зварювання. Завдання ускладнювалася ще й необхідністю забезпечення повної безпеки оператора.
Все сказане примусило на початкових етапах відмовитися від роботи в космічному скафандрі безпосередньо у вакуумі. Було знайдено компромісне рішення. Для проведення досліджень з ручного зварювання 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 імітують космічні
Стенд представляв собою герметичну робочу камеру об'ємом близько 0,8 м3, на передній стінці якої монтувався спеціальний фрагмент космічного скафандра. Між фрагментом і камерою міг створюватися потрібний перепад тиску, найбільш повно відтворює реальні умови роботи космонавта. Всередині робочої камери розміщувалися інструменти і ручні зварювальні пристрої. Скління гермошлема скафандра забезпечувалося набором змінних світлофільтрів, що дозволяють працювати з джерелами нагріву різної яскравості. Найбільш важливим конструктивним перевагою стенду було надійне забезпечення безпеки оператора при випадкових розгерметизація, що забезпечувало сприятливу психологічну обстановку при роботі з високотемпературними об'єктами. Велике значення мали також можливість вільного медико-біологічного контролю за станом оператора і зручність проведення різних ергономічних досліджень.
Одночасно зі стендом в Інституті електрозварювання ім. Є. О. Патона розроблено комплекс спеціальних космічних інструментів А-1500, що дозволяють виконувати зварювання різними способами. Спочатку експерименти проводилися в наземних лабораторіях, причому в цьому випадку робоча камера зазвичай заповнювалася інертним або вуглекислим газом.
На більш пізніх етапах дослідження були перенесені на літаючу лабораторію і в вакуум. Експерименти не підтвердили висловлених вище побоювань. Навпаки, виявилося, що після певної нетривалої тренування оператори (навіть не професійні зварювальники) могли якісно виконувати ручну зварку різних зварних з'єднань - стикових, кутових, внапуск - на таких металах, як нержавіючі сталі, алюмінієві і титанові сплави. З'ясувалося також, що при дуговому зварюванні в інертному газі плавким електродом при невагомості небезпека пропалів значно менше, ніж на Землі. Це було пояснено специфічними умовами існування зварювальної ванни при відсутності сили тяжіння.
Такі обнадійливі результати дозволили зробити спробу виконати вручну та електронно-променеву зварювання - процес, що відрізняється дуже високою концентрацією теплової енергії в зоні нагрівання. Для цієї мети розроблена спеціальна ручна електронна гармата (рис. 4), яка дозволила з використанням стенду 06-1469 успішно провести ряд експериментів з ручного електронно-променевому зварюванні. Експерименти показали, що цей спосіб має великі потенційні можливості для застосування його в космічних умовах.
Робота у відкритому космосі пред'являє дуже високі вимоги до ергономічним аспектам конструювання зварювального устаткування, особливо для ручного зварювання. У цьому напрямку Інститутом електрозварювання та Центром підготовки космонавтів ім. Ю. А. Гагаріна в 1972-1977 рр.. виконано ряд важливих експериментальних досліджень. У ці ж роки тривали і технологічні дослідження, що стосуються, зокрема, відпрацювання технології зварювання найбільш перспективних для космічного апаратобудування алюмінієвих сплавів. Був виявлений ряд характерних особливостей зварювання цих сплавів в умовах невагомості. Зроблені спроби знайти заходи боротьби з підвищеною пористістю.
Рис. 4. Електронна гармата для ручного зварювання
Слід зазначити, що протягом 70-х років роботи зі зварювання в космосі проводилися широким фронтом. Було запропоновано використовувати в космічних умовах ряд нових перспективних способів зварювання, таких, наприклад, як геліосварка, магнітоімпульсну зварювання, зварювання вибухом, екзотермічна зварка і паяння і т. п. Крім Інституту електрозварювання, в проведення досліджень включилися 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 Це сприяє прискореному вирішення проблем, що стоять перед зварниками, що працюють в галузі космічних досліджень.
2. Методи і способи зварювання в космосі
2.1 Плазмова зварка
Один з перспективних способів зварювання - плазмова зварка - проводиться плазмової пальником. Сутність цього способу зварювання полягає в тому, що дуга горить між вольфрамовим електродом і виробом і продувається потоком газу, в результаті чого утворюється плазма, використовувана для високотемпературного нагріву металу. Перспективна різновид плазмового зварювання - зварювання стислій дугою (гази стовпа дуги, проходячи через калібрований канал сопла пальника, витягуються в тонкий струмінь). При стисненні дуги змінюються її властивості: значно підвищується напруга дуги, різко зростає температура (до 20000-30000 С). Плазмова зварювання отримала промислове застосування для з'єднання тугоплавких металів, причому автомати і напівавтомати для дугового зварювання легко можуть бути пристосовані для плазмової при відповідній заміні пальника. Плазмову зварювання використовують як для з'єднання металів великої товщини (багатошарова зварка із захистом аргоном), так і для з'єднання пластин і дроту товщиною від десятків мкм до 1 мм (мікрозварювання, зварювання. Голчастою дугою). Плазмовим струменем можна здійснювати також інші види плазмової обробки, в тому числі плазмове різання металів.
2.2 Електронно-променева (електронна) зварювання
Електронно-променева (електронна) зварювання виробляється сфокусованим потоком електронів. Виріб поміщається в камеру, в якій підтримується вакуум (10-2-10-4 н/м2), необхідний для вільного руху електронів і збереження концентрованого пучка електронів. Від потужного джерела електронів (електронної гармати) на виріб направляється керований електронний промінь, фокусируемого магнітним і електростатичними полями. Концентрація енергії в сфальцьованому плямі до 109 Вт/см2. Переміщуючи промінь по лінії зварювання, можна зварювати шви будь-якої конфігурації при високій швидкості. Вакуум сприяє меншому окисленню металу шва. Електронний промінь плавить і доводить до кипіння практично всі метали і використовується не тільки для зварювання, але і для різання, свердління отворів і т. п. Швидкість зварювання цим способом у 1,5 - 2 рази перевищує швидкість дугового при аналогічних операціях. Недолік цього способу - великі витрати на створення вакууму і необхідність високої напруги для забезпечення досить потужного випромінювання. Цих недоліків позбавлений ін спосіб променевого зварювання - фотонна (світлова) зварювання. На відміну від електронного променя, світловий промінь може проходити значні відстані в повітрі, не втрачаючи помітно енергії (тобто відпадає необхідність у вакуумі), може майже без ослаблення просвічувати прозорі матеріали (скло, кварц і т. п.), т. е. забезпечується стерильність зони зварювання при пропущенні променя через прозору оболонку. Промінь фокусується дзеркалом і концентрується оптичною системою (наприклад, кварцовою лінзою). При споживаної потужності 50 кВт в промені вдається сконцентрувати близько 15 кВт.
Для створення світлового променя може служити не тільки штучне джерело світла, а й природний - Сонце. Цей спосіб зварювання, називається геліосваркой, застосовується в умовах значної сонячної радіації, Для зварювання використовується також випромінювання оптичних квантових генераторів - лазерів, Лазерне зварювання займає чільне місце в лазерної технології.
Висновок
Відзначимо важливу сторону проведених досліджень зі зварювання у космосі: розроблені для космічних умов малогабаритні високонадійні зварювальні установки, наприклад для електронно-променевого зварювання або зварювання стислій дугою низького тиску, все частіше знаходять застосування у промисловості на Землі.
Вчені Технологічного інституту штату Джорджія заявляють, що радіохвилі можна використовувати для зміни форми масивних конструкцій та їх зварювання в космосі. Раніше вченими було доведено можливість управляти найдрібнішими частинками речовини за допомогою звукових і світлових хвиль, і, судячи з усього, ця ж технологія повинна спрацювати і для великих шматків твердих речовин.
Література
1. Бернадський В.М. (У співавторстві з Патоном Б.Є., Дудко Д.А., Загребельним А.А., Лапчинський В.Ф.). Про можливість ручної електронно-променевого зварювання в космосі / / Космічне матеріалознавство і Технології.-1977 .- "НАУКА" - М. - с. 17-22.
2. Бондарєв А.А., Лапчинський В.Ф. , Лозівська А.В. та ін Дослідження структури та розподілу елементів в зварних з'єднаннях, виконаних електронним променем на сплавах 1201 і Ам-Г6 в умовах невагомості .- М.: Наука, 1978.
3. Загребельний А.А., Циганков О.С. Зварювання в космосі / / Зварювальне виробництво - № грудень 2002
4. Патон Б.Є., Дудко Д.А., Бернадський В.М. Застосування зварки для ремонту зварних космічних об'єктів. - Київ: Наук.думка, 1976.
5. Патон Б.Є., Кубасов В.М. Експеримент зі зварювання в космосі. / / Автомат. Зварювання, 1970, № 5.
6. Патон Б.Є., Патон В.Є., Дудко Д.А. та ін Космічні дослідження на Україну. -Київ: Наук.думка, 1973.
7. Зварювання в СРСР. у двох томах. -М.: Наука, 1981
Введення
1. Історія зварювання в космосі
2. Методи і способи зварювання в космосі
2.1 Плазмова зварка
2.2 Електронно-променева (електронна) зварювання
Висновок
Література
Введення
В кінці 50-х років нашого століття народилася нова галузь людської діяльності - космонавтика. Про це на весь світ сповістили сигнали першого радянського супутника Землі, утвердивши тим самим провідну роль нашої країни в освоєнні космічного простору.
Космонавтика поставила широке коло завдань і перед зварниками: потрібно докорінно переглянути і вдосконалити багато технологічні процеси, створити технологію зварювання спеціальних легких і жароміцних сплавів, розробити і освоїти виготовлення високонадійного автоматизованого зварювального обладнання. А на початку 60-х років з ініціативи головного конструктора ракетно-космічних систем академіка С. П. Корольова була поставлена принципово нове завдання - дослідити можливість виконання зварювання безпосередньо в космосі. Вирішення цього завдання було доручено Інституту електрозварювання ім. Є. О. Патона АН УРСР. До досліджень були залучені провідні колективи інституту, керовані Д. А. Дудко, І. К. Походня, В. К. Лебедєвим, Б. А. Мовчаном, В. Є. Патоном, О. К. Назаренко. Науковим керівником усього комплексу досліджень був академік Б. Є. Патон.
1. Історія зварювання в космосі
При проведенні досліджень передбачалося, що зварювання в космосі буде використовуватися в основному для виконання наступних робіт:
а) ремонт космічних кораблів, орбітальних станцій і різних металоконструкцій, що перебувають у космічному польоті або на Місяці та інших планетах;
б) складання та монтаж металоконструкцій, що знаходяться в орбітальному польоті або розташованих на поверхні Місяця та інших планет.
Необхідно було розробити техніку і технологію виконання зварювальних робіт у принципово нової для людини середовищі - космічному просторі, основними відмінностями якого є:
1) невагомість,
2) глибокий вакуум при високій швидкості відкачки (дифузії) газів і парів,
3) широкий інтервал температур, при яких може перебувати виріб, що зварюється (орієнтовно від 180 до 400 К).
Слід було враховувати і ряд додаткових несприятливих факторів, які мають негативний вплив на якість зварювальних з'єднань (вкрай обмежена рухливість оператора у відкритому космосі, складність фіксації та орієнтації, наявність різного роду випромінювань і т. п.).
Приступаючи до виконання поставленого завдання, перш за все, створити з усього різноманіття існуючих способів зварювання вибрати найбільш перспективні щодо 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, безпека, мала енергоємність, мінімальні маса і об'єм і т. п. На перших етапах досліджень були відібрані такі способи зварювання: електронно-променева, дугова плавиться, плазмова, контактна, холодна і дифузійна.
Накопичений на Землі досвід дозволив зробити висновок, що такі способи зварювання, як дифузійна, холодна та контактна, не пов'язані з наявністю газів в зоні зварювання, з інтенсивним нагріванням і розплавленням великого обсягу металу, можуть бути цілком працездатними в умовах космічного вакууму і невагомості. Тому використання їх в космосі не зажадає проведення будь-яких спеціальних досліджень.
Однак область застосування цих способів обмежена їх малої універсальністю і необхідністю ретельної підготовки і підгонки зварюваних поверхонь. У той же час такі досить універсальні й ефективні способи зварювання, як електронно-променева, плазмова та дугова, відрізняються відносно великим обсягом розплавляється металу і виділенням в зоні зварювання різних газів і парів, що робить їх застосування в космосі проблематичним. Тому перед використанням цих способів необхідно було провести ретельні дослідження в умовах, 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 створений комплекс обладнання А-1084, що складається з ряду вакуумних камер, механічних форвакуумних та сорбційно-гетерні високовакуумних насосів, реєструючих приладів (звичайні та швидкісні кінокамери, осцилографи) і апаратури управління. Весь комплекс устаткування розміщувався в салоні літаючої лабораторії (рис. 1).
На кришках кожної з камер могли встановлюватися автоматичні пристрої для зварювання різними методами -
електронним променем, стиснутої дугою низького тиску і дугою з плавким електродом.
Оскільки в конструкціях космічних об'єктів, як правило, не використовується метал великої товщини, потужність цих зварювальних пристроїв не перевищувала 1,5 кВт. Проведені дослідження дозволили виявити найбільш характерні особливості зварювання в умовах невагомості і вакууму. Коротенько вони зводяться до наступного.
Рис. 1. Розміщення зварювального обладнання в салоні літаючої лабораторії ТУ 104
При електронно-променевому зварюванні і різанні тиск пучка і реактивне тиск парів металу прагнуть витіснити рідку ванночку із зони плавлення. Тому дуже важливо було встановити, чи зможе розплавлений метал утримуватися у шві або в порожнині різу при роботі в невагомості. Експерименти показали, що величина сили поверхневого натягу при електронно-променевому зварюванні цілком достатня для надійного утримання металу і нормального формування шва. Так само надійно виконувалася і різка. Причому розплавлений метал не віддалявся з порожнини різу у вигляді крапель, чого можна було побоюватися, а локалізувався на крайках розрізають аркушів.
Значні труднощі довелося подолати під час зварювання стислій дугою низького тиску плавиться і неплавким електродами. Необхідно було розробити надійні методи контрагірованія плазми дуги в глибокому вакуумі при високій швидкості відкачки і прийоми активного управління плавленням і перенесенням електродного металу в невагомості. Справа в тому, що дугові процеси при низькому тиску пов'язані зі значною розфокусуванням дуги і, як наслідок, з різким зменшенням її проплавляються здібності, а розплавляється в невагомості електродний метал переходить в шов у вигляді крапель надзвичайно великого розміру. Тому дослідникам довелося приділити велику увагу розробці спеціальних способів і пристроїв для фокусування дуги і плазми у вакуумі, а також пошукам шляхів ефективного управління плавленням і перенесенням електродного металу.
Рис.2 Установка «Вулкан»
Експерименти на літаючій лабораторії допомогли вирішити і ці завдання. Тим самим були створені передумови для проведення зварювальних робіт безпосередньо у космосі.
На базі проведених досліджень була розроблена і виготовлена спеціальна зварювальна установка «Вулкан», призначення якої полягало в перевірці можливості використання названих вище способів зварювання в умовах космосу. «Вулкан» представляв собою комплексне, повністю автономний пристрій (рис.2), що дозволяє виконувати автоматичну електронно-променеву зварку і дугове зварювання плавким і неплавким електродами.
Установка складалася з двох основних відсіків. В одному - негерметичному - розташовувалися зварювальні пристрої і з'єднуються зразки; в іншому - герметичному - блоки енергоживлення, прилади управління, вимірювальні і перетворюють пристрої, засоби автоматики. Сам «Вулкан» був встановлений в побутовому відсіку космічного корабля «Союз», а пульт управління - в спусковому апараті. Вага установки - не перевищував 50 кг.
Відповідно до загальної програми космічних досліджень перший в світі експеримент зі зварювання у космосі був виконаний 16 жовтня 1969 р. на космічному кораблі, «Союз-6». льотчиками-космонавтами Г. С. Шонін і В. Н. Кубасовим. Після розгерметизації побутового відсіку космонавт-оператор В. М. Кубасов, що знаходився в спусковому апараті, включив автоматичне зварювання стислій дугою низького тиску. Слідом за цим він привів у дію автоматичні пристрої для зварювання електронним променем і плавиться. Під час кожного досвіду космонавт спостерігав за роботою установки по сигнальних табло на пульті управління. Дані про режим зварювання та умови проведення експерименту передавалися на Землю і фіксувалися самописними приладами.
Виконаний у космосі експеримент підтвердив зроблені раніше основні припущення та результати досліджень, отримані на літаючій лабораторії. Було показано, що безпосередньо в космосі процеси плавлення, зварювання та різання електронним променем протікають стабільно; забезпечуються необхідні умови для нормального формування зварних з'єднань і різів.
Основні параметри режиму зварювання плавким електродом, а також структура шва і зони термічного впливу, отримані на кораблі «Союз-6», залишалися практично такими ж, як і на літаючій лабораторії. Форма і якість швів, одержуваних цими способами на нержавіючих сталях класу 18-8 і титанових сплавах, були цілком задовільними.
У той же час був виявлений і ряд аномалій, викликаних, на думку дослідників, невагомістю і специфічними умовами космічного вакууму. Так, наприклад, при електронно-променевому зварюванні алюмінієвих сплавів у космосі була виявлена значно більша пористість швів, ніж на Землі (зварювання стислій дугою низького тиску на установці «Вулкан» не дала очікуваних результатів. Мабуть, швидкість дифузії плазмообразующего газу в навколишній корабель простір перевищила очікувану. Тому його концентрація в дуговому проміжку виявилося недостатньою для контрагірованія стислій дуги.
Малогабаритні зварювальні пристрої, включені в комплекс установки «Вулкан», показали достатню надійність і працездатність в умовах космосу. Принципові рішення, прийняті при розробці цих пристроїв, виявилися правильними і придатними для конструювання зварювальних установок, призначених для зварювання в космосі конкретних виробів.
Таким чином, до початку 70-х років питання про принципову можливість виконання автоматичного зварювання в космосі було вирішене позитивно. У той же час існувала велика категорія робіт, у тому числі майже всі види ремонту, які практично не могли б бути виконані з використанням автоматичного зварювання. Тому досить актуальною представлялася завдання з дослідження можливості виконання ручного зварювання в космосі. Причому були вагомі підстави побоюватися, що космонавт-оператор, споряджений в космічний скафандр під значним надлишковим тиском, через вкрай обмеженою рухливості не зможе якісно виконувати такий професійно складний процес, як зварювання. Завдання ускладнювалася ще й необхідністю забезпечення повної безпеки оператора.
Все сказане примусило на початкових етапах відмовитися від роботи в космічному скафандрі безпосередньо у вакуумі. Було знайдено компромісне рішення. Для проведення досліджень з ручного зварювання 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 імітують космічні
Стенд представляв собою герметичну робочу камеру об'ємом близько 0,8 м3, на передній стінці якої монтувався спеціальний фрагмент космічного скафандра. Між фрагментом і камерою міг створюватися потрібний перепад тиску, найбільш повно відтворює реальні умови роботи космонавта. Всередині робочої камери розміщувалися інструменти і ручні зварювальні пристрої. Скління гермошлема скафандра забезпечувалося набором змінних світлофільтрів, що дозволяють працювати з джерелами нагріву різної яскравості. Найбільш важливим конструктивним перевагою стенду було надійне забезпечення безпеки оператора при випадкових розгерметизація, що забезпечувало сприятливу психологічну обстановку при роботі з високотемпературними об'єктами. Велике значення мали також можливість вільного медико-біологічного контролю за станом оператора і зручність проведення різних ергономічних досліджень.
Одночасно зі стендом в Інституті електрозварювання ім. Є. О. Патона розроблено комплекс спеціальних космічних інструментів А-1500, що дозволяють виконувати зварювання різними способами. Спочатку експерименти проводилися в наземних лабораторіях, причому в цьому випадку робоча камера зазвичай заповнювалася інертним або вуглекислим газом.
На більш пізніх етапах дослідження були перенесені на літаючу лабораторію і в вакуум. Експерименти не підтвердили висловлених вище побоювань. Навпаки, виявилося, що після певної нетривалої тренування оператори (навіть не професійні зварювальники) могли якісно виконувати ручну зварку різних зварних з'єднань - стикових, кутових, внапуск - на таких металах, як нержавіючі сталі, алюмінієві і титанові сплави. З'ясувалося також, що при дуговому зварюванні в інертному газі плавким електродом при невагомості небезпека пропалів значно менше, ніж на Землі. Це було пояснено специфічними умовами існування зварювальної ванни при відсутності сили тяжіння.
Такі обнадійливі результати дозволили зробити спробу виконати вручну та електронно-променеву зварювання - процес, що відрізняється дуже високою концентрацією теплової енергії в зоні нагрівання. Для цієї мети розроблена спеціальна ручна електронна гармата (рис. 4), яка дозволила з використанням стенду 06-1469 успішно провести ряд експериментів з ручного електронно-променевому зварюванні. Експерименти показали, що цей спосіб має великі потенційні можливості для застосування його в космічних умовах.
Робота у відкритому космосі пред'являє дуже високі вимоги до ергономічним аспектам конструювання зварювального устаткування, особливо для ручного зварювання. У цьому напрямку Інститутом електрозварювання та Центром підготовки космонавтів ім. Ю. А. Гагаріна в 1972-1977 рр.. виконано ряд важливих експериментальних досліджень. У ці ж роки тривали і технологічні дослідження, що стосуються, зокрема, відпрацювання технології зварювання найбільш перспективних для космічного апаратобудування алюмінієвих сплавів. Був виявлений ряд характерних особливостей зварювання цих сплавів в умовах невагомості. Зроблені спроби знайти заходи боротьби з підвищеною пористістю.
Рис. 4. Електронна гармата для ручного зварювання
Слід зазначити, що протягом 70-х років роботи зі зварювання в космосі проводилися широким фронтом. Було запропоновано використовувати в космічних умовах ряд нових перспективних способів зварювання, таких, наприклад, як геліосварка, магнітоімпульсну зварювання, зварювання вибухом, екзотермічна зварка і паяння і т. п. Крім Інституту електрозварювання, в проведення досліджень включилися 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 Це сприяє прискореному вирішення проблем, що стоять перед зварниками, що працюють в галузі космічних досліджень.
2. Методи і способи зварювання в космосі
2.1 Плазмова зварка
Один з перспективних способів зварювання - плазмова зварка - проводиться плазмової пальником. Сутність цього способу зварювання полягає в тому, що дуга горить між вольфрамовим електродом і виробом і продувається потоком газу, в результаті чого утворюється плазма, використовувана для високотемпературного нагріву металу. Перспективна різновид плазмового зварювання - зварювання стислій дугою (гази стовпа дуги, проходячи через калібрований канал сопла пальника, витягуються в тонкий струмінь). При стисненні дуги змінюються її властивості: значно підвищується напруга дуги, різко зростає температура (до 20000-30000 С). Плазмова зварювання отримала промислове застосування для з'єднання тугоплавких металів, причому автомати і напівавтомати для дугового зварювання легко можуть бути пристосовані для плазмової при відповідній заміні пальника. Плазмову зварювання використовують як для з'єднання металів великої товщини (багатошарова зварка із захистом аргоном), так і для з'єднання пластин і дроту товщиною від десятків мкм до 1 мм (мікрозварювання, зварювання. Голчастою дугою). Плазмовим струменем можна здійснювати також інші види плазмової обробки, в тому числі плазмове різання металів.
2.2 Електронно-променева (електронна) зварювання
Електронно-променева (електронна) зварювання виробляється сфокусованим потоком електронів. Виріб поміщається в камеру, в якій підтримується вакуум (10-2-10-4 н/м2), необхідний для вільного руху електронів і збереження концентрованого пучка електронів. Від потужного джерела електронів (електронної гармати) на виріб направляється керований електронний промінь, фокусируемого магнітним і електростатичними полями. Концентрація енергії в сфальцьованому плямі до 109 Вт/см2. Переміщуючи промінь по лінії зварювання, можна зварювати шви будь-якої конфігурації при високій швидкості. Вакуум сприяє меншому окисленню металу шва. Електронний промінь плавить і доводить до кипіння практично всі метали і використовується не тільки для зварювання, але і для різання, свердління отворів і т. п. Швидкість зварювання цим способом у 1,5 - 2 рази перевищує швидкість дугового при аналогічних операціях. Недолік цього способу - великі витрати на створення вакууму і необхідність високої напруги для забезпечення досить потужного випромінювання. Цих недоліків позбавлений ін спосіб променевого зварювання - фотонна (світлова) зварювання. На відміну від електронного променя, світловий промінь може проходити значні відстані в повітрі, не втрачаючи помітно енергії (тобто відпадає необхідність у вакуумі), може майже без ослаблення просвічувати прозорі матеріали (скло, кварц і т. п.), т. е. забезпечується стерильність зони зварювання при пропущенні променя через прозору оболонку. Промінь фокусується дзеркалом і концентрується оптичною системою (наприклад, кварцовою лінзою). При споживаної потужності 50 кВт в промені вдається сконцентрувати близько 15 кВт.
Для створення світлового променя може служити не тільки штучне джерело світла, а й природний - Сонце. Цей спосіб зварювання, називається геліосваркой, застосовується в умовах значної сонячної радіації, Для зварювання використовується також випромінювання оптичних квантових генераторів - лазерів, Лазерне зварювання займає чільне місце в лазерної технології.
Висновок
Відзначимо важливу сторону проведених досліджень зі зварювання у космосі: розроблені для космічних умов малогабаритні високонадійні зварювальні установки, наприклад для електронно-променевого зварювання або зварювання стислій дугою низького тиску, все частіше знаходять застосування у промисловості на Землі.
Вчені Технологічного інституту штату Джорджія заявляють, що радіохвилі можна використовувати для зміни форми масивних конструкцій та їх зварювання в космосі. Раніше вченими було доведено можливість управляти найдрібнішими частинками речовини за допомогою звукових і світлових хвиль, і, судячи з усього, ця ж технологія повинна спрацювати і для великих шматків твердих речовин.
Література
1. Бернадський В.М. (У співавторстві з Патоном Б.Є., Дудко Д.А., Загребельним А.А., Лапчинський В.Ф.). Про можливість ручної електронно-променевого зварювання в космосі / / Космічне матеріалознавство і Технології.-1977 .- "НАУКА" - М. - с. 17-22.
2. Бондарєв А.А., Лапчинський В.Ф. , Лозівська А.В. та ін Дослідження структури та розподілу елементів в зварних з'єднаннях, виконаних електронним променем на сплавах 1201 і Ам-Г6 в умовах невагомості .- М.: Наука, 1978.
3. Загребельний А.А., Циганков О.С. Зварювання в космосі / / Зварювальне виробництво - № грудень 2002
4. Патон Б.Є., Дудко Д.А., Бернадський В.М. Застосування зварки для ремонту зварних космічних об'єктів. - Київ: Наук.думка, 1976.
5. Патон Б.Є., Кубасов В.М. Експеримент зі зварювання в космосі. / / Автомат. Зварювання, 1970, № 5.
6. Патон Б.Є., Патон В.Є., Дудко Д.А. та ін Космічні дослідження на Україну. -Київ: Наук.думка, 1973.
7. Зварювання в СРСР. у двох томах. -М.: Наука, 1981