Меню сайта

загрузка...

Предыдущая     |         Содержание     |    следующая

Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением

Сварка в космосе

Основные отличия космических условий от земных — прежде всего глубокий вакуум (до 10" 12 мм рт. ст.) при практически неограниченной скорости диффузии газов из зоны сварки; широкий интервал температур, при которых может находиться свариваемое изделие (ориентировочно от +130 до —150° С);

невесомость. Кроме этого, ряд второстепенных факторов в определенной степени влияет на качество сварки, например ограниченная подвижность оператора, наличие в окружающем пространстве различного рода излучений и т. д.

При выборе наиболее перспективных для космоса методов сварки следует руководствоваться общепринятыми для космической техники критериями оценки (например, высокая надежность, малая энергоемкость и малая масса оборудования) и специфически сварочными критериями (работоспособность в космических условиях, универсальность метода, простота и безопасность оборудования в обращении, возможность выполнения не только сварки, но и резки и т. д.).

Из всего многообразия существующих способов сварки по этим критериям на первом этапе отобраны следующие: электроннолучевая; дуювая принудительно сжатой дугой плавящимся и не-плавящимся электродом; контактная; холодная; диффузионная.

На основании накопленного в земных условиях опыта можно было полагать, что такие способы сварки, как диффузионная, холодная и контактная, не связанные с наличием газов в зоне сварки, с интенсивным нагревом и расплавлением больших объемов металла, окажутся вполне работоспособными в условиях космического вакуума и невесомости. Поэтому использование их в космосе не потребует проведения каких-либо специальных технологических исследований. Однако область применения этих способов ограничивается малой универсальностью и необходимостью тщательной подготовки свариваемых поверхностей,

В то же время такие достаточно универсальные и простые способы, как электроннолучевая и дуговая сварка, отличаются относительно большим объемом расплавляемого металла и выделением в зоне сварки различных газов и паров, что делает их использование в космосе проблематичным. Поэтому перед опробованием этих способов сварки непосредственно в космосе их необходимо тщательно исследовать в условиях, имитирующих космические.

Имитация одновременно всех отмеченных выше основных особенностей космоса требует чрезвычайно сложного и громоздкого оборудования. Это заставляет проводить исследования в несколько этапов. Влияние глубокого вакуума и перепада температур может быть изучено на Земле в специальных термобарокамерах с большим объемом рабочего пространства. Исследование комплексного влияния вакуума и невесомости необходимо проводить в летающих лабораториях.

Эксперименты подтвердили принципиальную возможность выполнения сварки в вакууме концентрированными источниками нагрева при перепаде температур примерно от -—50° до +60° С. В то же время большой объем вакуумных камер неблагоприятно сказывается на дуговых методах сварки, связанных с подачей образующего газа. При большой скорости откачки поступающий из сопла горелки плазмообразующий газ чрезвычайно быстро диффундирует в остаточную атмосферу камеры, осложняя тем самым установление стабильной дуги.

Для исследований в условиях невесомости разработаны и изготовлены специальные испытательные стенды, устанавливаемые в салоне самолета— летающей лаборатории. Они позволяют выполнять сварку в вакууме или в контролируемой атмосфере инертных газов. Многочисленные опыты, проведенные в летающих лабораториях, позволили установить основные технологические особенности сварки в условиях невесомости. По-видимому, существует предельный объем ванны жидкого металла, который может образовывать сварной шов в невесомости при наличии силового воздействия со стороны источника нагрева (электронного луча или сжатой дуги).

Величина этого предельного объема зависит от условий смачивания по границе жидкой и твердой фаз, поверхностного натяжения жидкого металла и давления источника нагрева. При ухудшении смачивания, уменьшении поверхностного натяжения металла и увеличении давления источника нагрева величина этого предельного объема металла уменьшается.

При сварке в невесомости алюминиевых и титановых сплавов, а также нержавеющих сталей концентрированным источником нагрева мощностью до 1,2 кВт сварочная ванна объемом 0,05— 0,07 см3 совершенно устойчива и стабильно образует сварной шов как в вакууме, так и в атмосфере аргона. Это позволяет надежно выполнять в невесомости сварку перечисленных металлов при толщине листов до 3 мм. При электроннолучевой резке этих металлов в невесомости выплавляемый из полости реза металл силой поверхностного натяжения удерживается на кромках реза и кристаллизуется в виде валика или капель.

Дегазация сварочной ванны при сварке в вакууме и невесомости, как правило, не отличается от того, что наблюдается на Земле. Лишь при электроннолучевой сварке сплава АМг-6 в невесомости отмечена несколько повышенная пористость. По-видимому, при небольшом объеме сварочной ванны и интенсивном перемешивании металла давлением источника нагрева влияние невесомости на выделение газов незначительно. Не обнаружено также существенного влияния невесомости на структуру металла шва. Лишь с применением электронного микроскопа можно заметить некоторые отличия в структуре первичных фаз. Процесс сварки плавящимся электродом в невесомости изучали в контролируемой атмосфере аргона при давлении 760 мм рт. ст. и в вакууме с разрежением до 10" 4 мм рт. ст. Мощность дуги не превышала 1,2 кВт при диаметре электродной проволоки 1 мм. При сварке в аргоне на токе силой 50—60 А со свободным формированием капель электродного металла капли металла могут достигать очень больших размеров, необычных для такого режима сварки на Земле. Например, при сварке в невесомости высоколегированной стали перенос капли происходит через 3—5 с, что в 15—30 раз реже, чем в обычных условиях при одинаковом режиме сварки. Капли переходят при случайных касаниях металлической ванны, поэтому увеличение длины дуги может привести к получению капель еще больших размеров. Форма капель, как правило, сферическая, что свидетельствует об отсутствии действия на каплю других значительных сил, кроме силы поверхностного натяжения.

При таком крупнокапельном переносе не удается получить качественных швов. Для улучшения формирования швов необходимо применять специальные технологические приемы, обеспечивающие мелкокапельный перенос металла. Это, прежде всего, сварка при малой длине дуги с короткими замыканиями дугового промежутка и импульсно-дуговая сварка. При импульсно-дуговой сварке обеспечивается высокая частота переноса капель электродного металла, не отличающаяся от наблюдаемой на Земле, а качество сварных швов вполне удовлетворительное. При сварке с короткими замыканиями дугового промежутка в невесомости и вакууме также удается получать хорошие швы. Однако при этом необходимо применять специальные меры принудительной фокусировки дуги.

Приведенные выше данные получены в условиях кратковременной невесомости, обеспеченных в летающей лаборатории. Ввиду того, что за короткое время различные процессы при сварке не успевают стабилизироваться, наблюдался большой разброс в характеристиках сварных швов. Только опыты по сварке в условиях длительной невесомости могут достаточно полно охарактеризовать особенности космоса как среды для сварочных работ.

Такой эксперимент был проведен летчиками-космонавтами Г. А. Шониным и В. Н. Кубасовым на космическом корабле Союз-6 16 октября 1969 г. Они подтвердили сделанные ранее предположения и результаты исследований, полученные в летающей лаборатории. Как отмечают академик Б. Е. Патон и летчик-космонавт В. Н. Кубасов: процесс плавления и резки электронным лучом в космосе протекает стабильно, обеспечиваются необходимые условия для нормального формирования сварного соединения и реза.

Основные параметры режима сварки плавящимся электродом на корабле Союз-6, а также структура шва и околошовной зоны оставались практически такими же, как при сварке на Земле и в летающей лаборатории, при этом достигнуто необходимое проплавление соединяемого металла. Металл швов плотный, без газовых и шлаковых включений; удаление газов из расплавленного металла в процессе кристаллизации удовлетворительное. Существенных отклонений от заданного химического состава металла шва и переплавленного электродного металла не обнаружено. Исследование дуговой сварки плавящимся электродом показало, что в условиях продолжительной невесомости, несмотря на высокую скорость откачки, возможно образование длительного устойчивого дугового разряда в парах материала электрода.

Сварка плазменной дугой низкого давления в космосе не дала ожидаемых результатов. По-видимому, скорость диффузии плаз-мообразующего газа в атмосферу корабля превысила ожидаемую и его концентрация в дуговом промежутке оказалась недостаточной для контрагирования сжатой дуги. В то же время высокая скорость откачки газов через люк космического корабля оказала положительное влияние при электроннолучевой резке. Наблюдающееся при этом выделение газов не сказалось на надежности работы электроннолучевого оборудования.

Проведенный эксперимент явился первым шагом сварочной техники в космос. Можно ожидать, что следующие шаги откроют новые возможности и дальнейшие перспективы использования сварки при освоении Человеком космического пространства.