Сварка материалов в космосе

17.07.2018
Как уже отмечалось ранее, в космосе принципиально могут быть использованы различные методы сварки. Их выбор в каждом конкретном случае определяется рациональной областью применения метода и условиями выполнения сварки. При этом надо иметь в виду, что выполнять сварку в герметичных, заполненных атмосферой отсеках космических аппаратов чрезвычайно трудно и опасно из-за неизбежного загрязнения атмосферы и возможности возникновения пожара.

В случае острой необходимости в герметичных отсеках могут быть, по-видимому, использованы холодная и контактная точечная сварки, технологии которых практически не отличаются от земных. Однако до сих пор опыта проведения сварочных работ в герметичных отсеках космических аппаратов не имеется.

Значительно шире выбор методов сварки при работе в разгерметизированных отсеках или за бортом космических аппаратов. Большой объем проведенных исследований показал, что наиболее универсальной и эффективной в этих условиях является электронно-лучевая сварка, схема которой показана на рис. 3.9. Это, однако, не исключает использования в случае необходимости и других методов.

Электронно-лучевая сварка. Рассмотренные выше проблемы практически отсутствуют при электронно-лучевой сварке. Это не означает, что электронно-лучевая сварка может быть применена в космосе совершенно безболезненно. Существует целый ряд других трудностей, осложняющих использование этой сварки в условиях космоса. Однако все они не носят принципиального характера и могут быть успешно преодолены.

Излишне объяснять, что глубокий космический вакуум лишь способствует качественному выполнению электронно-лучевой сварки. Исключения возможны только при сварке некоторых многокомпонентных сплавов, содержащих легко испаряющиеся присадки. Поэтому при рассмотрении технологии электронно-лучевой сварки основное внимание уделено мерам, препятствующим возникновению дефектов сварных швов, связанных с условиями малой гравитации и низкой температурой.

Малая гравитация может способствовать возникновению дефектов двоякого рода — повышенной пористости и несплавлений. Повышенная пористость связана с тем, что в малых гравитационных полях не происходит естественного всплывания под действием архимедовой силы образующихся в сварочной ванне пузырьков пара или газа. В наибольшей степени это проявляется при сварке алюминиевых, магниевых или других материалов с повышенным содержанием растворенных газов или компонент с большой упругостью пара.

Перемешивание сварочной ванны под действием стационарного электронного пучка не всегда способствует дегазации жидкого металла. В ряде случаев наблюдается даже обратное влияние, когда инициируемый плавлением луча массообмен способствует перемещению пузырьков в хвостовую кристаллизующуюся часть ванны, где и происходит их фиксация в виде цепочки пор в корне шва. На рентгенограммах, приведенных на рис. 3.11, хорошо видно, что этот эффект резко проявляется именно в микрогравитации. Обычно поры возникают по границам между жидким металлом и растущими кристаллитами, в особенности в зазорах между кристаллитами при дендритном фронте кристаллизации.

Наличие в зоне кристаллизации оксидных включений, как правило, плохо смачиваемых расплавленным металлом, провоцирует возникновение местных несплавлений. Поскольку в микрогравитации оксидные пленки не всплывают, а удерживаются в объеме расплавленной ванны, то несплавления при кристаллизации могут возникать в различных местах сварного шва. Расплавленный металл в этих случаях может выдавливаться из межкристаллитного пространства силами поверхностного натяжения (см. рис. 3.3), образуя несплошности.

Наилучшим методом борьбы с этими дефектами является использование электронных пучков модулируемой мощности. При этом благодаря циклически изменяющемуся механическому и тепловому воздействию луча на сварочную ванну удается локализовать газовые и окисные включения, организовать направленное принудительное перемещение их к внешней поверхности жидкого металла и удаление их из расплава. Частота модуляции может изменяться от 30 до 200 Гц и подбирается в зависимости от скорости сварки, толщины и марки свариваемого материала.

Изменение мощности, как правило, производится за счет управления током пучка с амплитудой от 20 до 80 % номинального.

В остальном процесс электронно-лучевой сварки в космосе мало чем отличается от сварки в земных условиях. При этом надо подчеркнуть, что речь идет о сварке тонколистовых (4 мм и менее) изделий. Для этой цели используются электронные пучки сравнительно невысокой плотности мощности (до 1*10в8 Вт/м2), воздействие которых на свариваемый металл аналогично воздействию хорошо контрагированной сварочной дуги.

При сварке электронным лучом тонколистовых материалов в наземных условиях часто наблюдаются прожоги. В космосе опасность возникновения прожогов существенно меньше, так как не происходит вытекания сварочной ванны под действием силы тяжести. Тем не менее, при некоторых видах работ приходится специально несколько расфокусировать электронный пучок. В случае очень больших зазоров необходима подача присадочной проволоки, которая не только обеспечивает заполнение зазора дополнительным металлом, но и снижает температуру расплавленной ванны, препятствуя образованию прожогов (см. рис. 3.4). При этом в невесомости даже на очень тонком металле можно получить сварочную ванну очень больших размеров (рис. 3.12). Такая возможность оказывается весьма полезной при заварке отверстий и проведении других ремонтных работ, связанных с большими зазорами между соединяемыми деталями. Малая опасность прожогов и использование относительно низковольтной сварочной аппаратуры позволяет производить электронно-лучевую сварку в космосе не только в автоматическом, но и в ручном режиме работы. Это открывает очень широкие возможности для использования сварки при ремонте космических аппаратов. Подача присадочной проволоки в этих случаях производится автоматически, с помощью специальных подающих механизмов, размещаемых обычно на самом электронно-лучевом инструменте. Вследствие ограниченной мощности электронного луча обычно не стремятся достичь высокой скорости сварки. Оптимальная скорость автоматической сварки находится в пределах 5...20 мм/с. При работе вручную (или полуавтоматически) скорость сварки, как правило, еще ниже.

Существенные отличия в технологию сварки могут внести присущие космосу большие перепады температуры соединяемых материалов. Низкая температура свариваемого металла приводит к возрастанию вероятности хрупкого разрушения конструкции в процессе ее изготовления или при последующей эксплуатации. В особенности нежелателен случай, когда температура свариваемого изделия сильно изменяется в пределах одного шва. Такой случай возможен, например, при сварке тонкостенной обечайки из слабо теплопроводного металла, одна сторона которой находится на солнце, а другая — в тени. При этом существенно возрастают сварочные напряжения и деформации, а на теневой стороне, кроме того, снижается стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин.

В таких случаях необходим предварительный контроль температуры изделия и определенное программирование режима сварки по длине шва, а иногда предварительный или сопутствующий подогрев охлажденных участков соединения.

Надо отметить, что в условиях космоса сварка большинства соединений производится на весу. Поэтому во многих случаях, в особенности при сварке материалов с высокой теплопроводностью, для качественного формирования шва желательно применять наружные теплоотводящие накладки. Одновременно они играют роль термостабилизаторов.

Большинство типов сварных соединений на весу требуют предварительной постановки прихваток. Длина прихваток обычно составляет (3...4)b (b — толщина листа), а расстояние между ними — (70...80)b. Переварка прихваток обычно затруднений не вызывает и не приводит к возникновению дефектов.

Для обеспечения нормальных условий формирования начала и конца шва при автоматической сварке могут быть использованы либо выводные планки, либо специальное программирование мощности пучка на этих участках. При ручной сварке возможно выведение кратера за пределы шва с одновременной расфокусировкой пучка.

Чрезвычайно важной является проблема оценки и обеспечения качества сварных швов, сваренных в космосе. Это связано с тем, что, как уже отмечалось выше, существует ряд предпосылок к тому, что некоторые факторы космического пространства (микрогравитация, особенности космического вакуума) могут отрицательно сказываться на качестве сварных соединений.

К сожалению, изучение этого вопроса наталкивается на ряд трудностей, связанных главным образом с недостаточным количеством сварных образцов, доставленных из космоса на Землю и тщательно исследованных. Это препятствует накоплению строго достоверных статистических данных.

Много больше сварных образцов получено на летающей лаборатории. Здесь статистика более достоверна. Однако летающая лаборатория не полностью воспроизводит основные факторы космического пространства.

Поэтому приводимые ниже данные о качестве сварных образцов, полученных в условиях космического пространства, носят пока предварительный характер и должны непрерывно уточняться. Совместный анализ всех имеющихся образцов, полученных как в космосе, так и на летающей лаборатории, позволяет сделать вывод, что при правильно выбранной технологии и технике сварки качество полученных в космосе сварных соединений нисколько не хуже, чем на Земле.

Для большинства традиционных конструкционных материалов (алюминиевые и титановые сплавы, нержавеющие стали) макро- и микроструктура швов, полученных в космосе и на Земле, как правило, значительных отличий не имеет. Это же относится и к околошовной зоне. На рис. 3.13 показана микроструктура швов на образцах из стали типа Х18Н10Т, сваренных в космосе.
Сварка материалов в космосе

Электронно-микроскопические исследования в некоторых случаях показывают отличия в дисперсности a-фазы и количестве дислокаций. Обычно а-фаза в космических образцах более дисперсна, а плотность дислокаций выше (рис. 3.14).

По-видимому, эти отличия связаны с высокой скоростью охлаждения и малым временем пребывания сварочной ванны в расплавленном состоянии. Особенности космического вакуума приводят к тому, что металл швов, сваренных в космосе, значительно очищен от водорода и несколько обогащен кислородом. Так, при ручной электронно-лучевой сварке ряда образцов титанового сплава массовая доля водорода в исходном металле составляла 0,0056...0,0072 %, а в сварных швах — 0,0010...0,0015 %. Соответственно содержание кислорода в исходном металле 0,058...0,061 %, а в сварном шве — 0,071...0,084 %. Аналогичная закономерность отмечена и для сталей. Тем не менее, делать какие-либо обобщающие выводы пока преждевременно, поскольку количество исследованных образцов очень мало. Вообще, имеющийся опыт показывает, что технология и режимы электронно-лучевой сварки в космосе не универсальны. Обычно в каждом конкретном случае приходится в той или иной степени корректировать технологию, базируясь на накопленном банке данных. Прочность, пластичность и плотность сварных соединений, полученных в космосе, при правильно подобранной технологии нисколько не хуже, чем на Земле. Это относится и к алюминиевым сплавам с малым содержанием растворенных газов и компонентов с большой упругостью пара.

В заключение необходимо отметить, что электронно-лучевая сварка позволяет выполнять в космосе все виды сварных соединений — встык, встык с отбортовкой кромок, нахлесточное, тавровое, угловое и прорезное и, наконец, соединение электрозаклепками. При этом практически всегда сварка может производиться навесу без применения каких-либо подкладок.