Эксперимент по сварке в космосе

17.07.2018
С каждым годом ширится фронт космических исследований. Космонавтика выдвигает перед учеными и инженерами все новые и новые задачи. Уже становится вполне реальным осуществление различных технологических операций в космическом пространстве. Поэтому столь важны и ответственны исследования, выполненные в последнее время учеными-сварщиками с целью разработки основ космической сварочной и металлургической техники. При этом особое значение имел выбор наиболее перспективных с точки зрения космических условий способов расплавления и сварки металлов.

Основные особенности космоса как среды для выполнения сварочных работ заключаются в следующем:

1) наличие невесомости;

2) существование в окружающем пространстве глубокого вакуума при очень высокой скорости откачки (диффузии) газов и паров, образующихся в зоне расплавления металла или поступающих туда;

3) весьма широкий интервал температур, при которых может находиться расплавленный и кристаллизующийся металл.

Космос, как известно, характеризуется прежде всего наличием глубокого вакуума. В связи с этим там наиболее целесообразно использовать именно те способы соединения металлов, которые испытаны и уже применяются для сварки в вакууме на Земле. Это в первую очередь диффузионная и электронно-лучевая сварка и резка. В то же время развитие исследовательских работ по космической технологии металлов привело к созданию таких способов, как сварка и резка плазменной дугой низкого давления, сварка плавящимся электродом при низком давлении, контактная (точечная и шовная) сварка в вакууме.

Часть этих способов не связана с расплавлением и свободной кристаллизацией свариваемого металла, и их использование в космосе, по-видимому, не вызовет особых трудностей. Однако области применения этих способов ограничены. Остальные, наиболее употребительные способы, характеризуются расплавлением соединяемого металла и наличием паров и газов в месте сварки. Поэтому применение этих способов в космосе потребовало проведения самых тщательных исследований.

Наибольшую сложность представляла одновременная имитация вакуума и невесомости. Для этого был создан комплекс оборудования, позволяющий опробовать на борту летающей лаборатории в вакууме и невесомости различные методы сварки и сварочные устройства (рис. 1). Комплекс оборудования состоял из вакуумных камер, механических форвакуумных и сорбционно-геттерных насосов, регистрирующих приборов (скоростные и обычные кинокамеры и осциллографы) и аппаратуры управления. На верхней крышке каждой вакуумной камеры могли устанавливаться устройства для сварки различными способами — электронным лучом, плазменной дугой низкого давления и плавящимся электродом.
Эксперимент по сварке в космосе

При проведении экспериментов осциллографом регистрировали основные электрические параметры режима сварки, давление в камерах и силу тяжести на каждом участке полета. Поведение жидкой ванны и капель электродного металла при сварке плавящимся электродом на протяжении всего процесса регистрировалось кинокамерами со скоростью 24 кадра в секунду. Для фиксации быстротекущих явлений выборочно проводилась киносъемка кинокамерами CKC-1M со скоростью 1000-5000 кадров в секунду. Киносъемка и осциллографирование были синхронизированы; имелась также возможность фиксировать на линии шва точку, в которой осуществлялась скоростная коносъемка. После завершения летных экспериментов их результаты тщательно анализировались. Это позволило выявить наиболее характерные особенности каждого способа сварки в условиях невесомости. Вкратце они сводятся к следующему.

При электронно-лучевой сварке и резке в невесомости расплавленный металл удерживается в ванне или полости реза лишь силой поверхностного натяжения, которая в общем случае уменьшается с повышением температуры металла. Давление пучка и реактивное давление паров металла стремятся вытеснить жидкий металл из зоны плавления. Поэтому чрезвычайно важно было установить, удастся ли обеспечить хорошее формирование швов при сварке электронным лучом, отличающимся чрезвычайно высокой концентрацией энергии и, следовательно, вызывающим перегрев расплавленного металла. При резке требовалось прежде всего выяснить, будет ли расплавленный металл локализоваться по кромкам с последующей кристаллизацией, или же под воздействием луча он удалится из полости реза в виде капель, что в невесомости недопустимо.

Сварку и резку производили лучом небольшой мощности (1 кВт при токе 70 мА и скорости сварки 30 м/час). Выполнялись разные виды соединений: стыковые алюминиевого сплава АМг6, нахлесточные титанового сплава BTl, соединения по отбортовке стали 12Х18Н10Т.

При непродолжительном пребывании расплавленного металла в невесомости (до 25 с) установлена идентичность формы шва и величины проплавления с получаемыми в обычных условиях (рис. 2). У образцов из сплава АМг6, сваренных в невесомости, отмечена несколько большая пористость. Это можно объяснить затрудненным выделением газов из расплавленного металла при отсутствии силы тяжести.

Резка электронным лучом в невесомости также не вызывает особых трудностей. Расплавленный металл при этом не удаляется из полости реза, а кристаллизуется по кромкам в виде капель (рис. 3) либо непрерывного валика.

Таким образом, эксперименты подтвердили возможность электронно-лучевой сварки и резки различных материалов в условиях кратковременной невесомости.

Аналогичные результаты получены при сварке и резке плазменной дугой низкого давления. В невесомости удалось надежно осуществить высококачественную сварку стали 12Х18Н10Т по отбортовке, выполнить стыковые и нахлесточные соединения сплава BTl. Тщательно исследовалась микро- и макроструктура сварных соединений, причем каких-либо существенных отклонений, связанных с воздействием невесомости, отмечено не было (рис. 4).

Следует указать на незначительное повышение механической прочности сварных соединений титанового сплава, полученных в невесомости.

Для этого способа сварки характерно влияние вакуума и скорости откачки на стабильность установления дугового разряда. При большой скорости откачки плазмообразующий газ, который поступает из сопла горелки, чрезвычайно быстро диффундирует в остаточную атмосферу камеры, резко осложняя установление стабильной дуги. В результате проведенных экспериментов были найдены приемы, позволяющие повысить надежность возбуждения дуги.

При изучении дуговой сварки плавящимся электродом в невесомости центральной была проблема управления плавлением и переносом электродного металла. Опыты по сварке проводились в контролируемой атмосфере и в вакууме. Как показали исследования, при образовании и переносе капель электродного металла в невесомости основное значение приобретает сила поверхностного натяжения и смачивание металла.

При большой длине дуги, когда обеспечен свободный рост капли, последняя может достигать очень больших размеров, определяемых в принципе дуговым промежутком (рис. 5). При сварке на данном режиме на Земле капля электродного металла в несколько раз меньше.

В невесомости форма капель, как правило, непрерывно изменяется, но остается близкой к сферической, что свидетельствует о преимущественном действии силы поверхностного натяжения. При сварке некоторых металлов на кинограммах отмечено интенсивное вращение капель в меридиональном направлении. В силу непрерывного изменения условий локализации активные пятна дуги также непрерывно и беспорядочно перемещаются по поверхности капли и ванны. Процесс сварки при этом не устойчив и не позволяет получить доброкачественный шов.

Исследовались два метода стабилизации дуговой сварки плавящимся электродом в невесомости. При большой длине дуги процесс отлично стабилизировался при наложении импульсов тока. В моменты их действия резко возрастает электродинамическая сила, обеспечивающая отрыв маленькой капли металла от электрода и точное попадание ее в ванну (рис. 6). В случае малой длины дуги (при значительной скорости подачи электрода и низком напряжении) сварка происходит с короткими замыканиями дугового промежутка. При этом также гарантируется стабильный мелкокапельный перенос металла. В обоих случаях качество швов высокое (рис. 7). Проще оказалась сварка с короткими замыканиями, которая и была применена в дальнейших исследованиях процесса как в вакууме, так и в контролируемой атмосфере.

Кристаллизация металла и формирование шва в невесомости тоже имеют свои особенности. Отсутствие силы тяжести приводит к тому, что под действием поверхностного натяжения металл стягивается с краев шва к его оси. Тем не менее форма шва остается вполне удовлетворительной.

Завершающим этапом исследований явилась опытная сварка непосредственно в околоземном космосе при длительной невесомости и вакууме, установившемся в разгерметизированном отсеке космического корабля.

Эти эксперименты проводились с применением установки «Вулкан» (рис. 8), которая представляет собой комплексное автономное устройство, позволяющее выполнять сварку несколькими способами: электронным лучом, плазменной дугой и плавящимся электродом. Установка состоит из двух блоков: в одном располагаются сварочные устройства и соединяемые образцы, в другом — система энергопитания, приборы управления, измерительные и преобразовательные устройства, средства автоматики. В спускаемом аппарате корабля размещен пульт управления сваркой. Общий вес установки до 50 кг.

В соответствии с общей программой космических исследований первый опыт по сварке в космосе выполнен 16 октября 1969 г. на корабле «Союз-6» летчиками-космонавтами Г.С. Шониным и В.Н. Кубасовым. После разгерметизации отсека космонавт-оператор, находившийся в спускаемом аппарате, в соответствии с программой включил автоматическую сварку плазменной дугой низкого давления. Вслед за этим он привел в действие автоматические устройства для сварки электронным лучом и плавящимся электродом. Во время каждого опыта космонавт наблюдал за работой установки по сигнальным табло на пульте управления. Все данные о режиме сварки и условиях проведения эксперимента передавались на Землю и фиксировались самопишущими приборами.

Выполненный эксперимент подтвердил сделанные ранее основные предположения и результаты исследований, полученные в летающей лаборатории. Процесс плавления и резки электронным лучом протекает стабильно, обеспечиваются необходимые условия для нормального формирования сварного соединения или реза (рис. 9).

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; достигнуто необходимое проплавление соединяемого металла. Металл швов плотный, без газовых и неметаллических 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 на данной аппаратуре не дала ожидаемых результатов. По-видимому, скорость диффузии плазмообразующего газа в атмосферу корабля превысила ожидаемую. Поэтому его концентрация в дуговом промежутке оказалась недостаточной для контрагирования дуги.

В то же время высокая скорость откачки газов через люк космического корабля оказала положительное влияние при электронно-лучевой резке. Наблюдающееся при этом выделение газов не сказалось на надежности работы электронно-лучевого оборудования.

Малогабаритные сварочные устройства, включенные в комплекс установки «Вулкан», показали достаточную надежность и работоспособность в условиях космоса. Принципиальные решения, принятые при разработке этих устройств, и данные самого эксперимента могут быть положены в основу конструирования специальных сварочных установок, предназначенных для выполнения конкретных технологических операций в космическом пространстве.

Эксперимент по сварке в космосе — это новый, важный этап развития космической техники. Впервые в мировой практике в космосе осуществлен технологический процесс, связанный с нагревом и расплавлением металла.

Следует отметить, что использование концентрированных сварочных источников нагрева может оказаться полезным и нужным не только при сварке или резке, но и для обработки деталей, получения особо чистых металлов и выполнения других аналогичных работ в космосе.