31 июля 2014 

Сварка в космосе

Впервые мысль о выполнения работ по сварке и резке в космосе высказал С.П.Королев в 1965 г. Предполагалось, что сварка в космосе будет использоваться при ремонте различных космических аппаратов, сборке металлоконструкций.

Основные отличия космических условий от земных —глубокий вакуум при практически неограниченной скорости диффузии газов из зоны сварки, широкий интервал температур, при которых может находиться свариваемое изделие, невесомость. Кроме того, на качество сварки влияет ряд таких факторов как ограниченная подвижность космонавта-оператора в скафандре, повышенные требования безопасности работ и др. Первые эксперименты по сварке в космосе проведены 16 октября 1969 г. на корабле «Союз-6» Г.С. Шониным и В.Н. Кубасовым с использованием установки «Вулкан». Установка позволяла в автоматическом режиме выполнять дуговую, плазменную и электронно-лучевую сварку.

При дуговой сварке в условиях космоса в наибольшей степени изменяется процесс переноса электродного металла. Капля вырастает до больших размеров, которые на земле не удается получить, в несколько раз больше диаметра электрода. Увеличение размера капли снижает плотность тока, уменьшает устойчивость горения дуги. Несколько улучшает процесс наложения на дугу импульсов тока. Механические свойства шва достаточно высокие, дефектов не больше, чем в земных условиях.

Наилучшие результаты в экспериментах были получены при электронно-лучевой сварке. Питание электронно-лучевой пушки осуществлялось от аккумуляторной батареи. Постоянное напряжение преобразовывалось в переменное с помощью инверторов, а затем повышалось и выпрямлялось с помощью трансформатора. В пушке вместо магнитной фокусировки была применена электростатическая, что упростило конструкцию и снизило вес установки.

На основании проведенных опытов по сварке и резке сжатой дугой низкого давления было установлено, что в условиях динамической невесомости можно получать качественные стыковые, отбортованные и нахлесточные сварные соединения. Колебания режимов сварки в пределах 20 % практически не сказываются на качестве сварного соединения. При сварке сжатой дугой металла малых толщин 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 дает высокую концентрацию энергии, соизмеримую с электронным лучом, и соответственно пригоден для сварки и резки тонких деталей. Клещи для точечной сварки были выполнены со встроенным трансформатором 1 кВт и массой 1,5 кг. Космические условия не оказали влияния на процесс точечной сварки. В этом случае невесомость влияет лишь на условия работы человека. На базе проведенных исследований была разработана и изготовлена специальная сварочная установка «Вулкан» для проверки названных выше видов сварки в условиях космоса.

В соответствии с общей программой космических исследований первый в мире эксперимент по сварке в космосе был выполнен 16 октября 1969 года на космическом корабле «Союз-6» летчиками-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 период с 1979 по 1984 г. в космосе проводились эксперименты по нанесению тонкопленочных металлических покрытий на образцы из конструкционных сталей методом термического испарения и конденсации. Эксперименты проводились на установках типа «Испаритель», оснащенных двумя электронно-лучевыми пушками. Всего было получено около 100 образцов, в ряде случаев с уникальными свойствами.

14 июля 1984 г. космонавтами С.Савицкой и В.Джанибековым были впервые проведены эксперименты по электронно-лучевой сварке с выходом в открытый космос. Применялся сварочный аппарат УРИ (универсальный ручной инструмент), который позволял осуществлять сварку, резку, пайку, нагрев металла, нанесение покрытий. Все эти операции выполнялись короткофокусной электронно-лучевой пушкой, которую космонавт держал в руке. Сваривались образцы из стали и титана. Качество соединений получилось достаточно высоким.

В 1986 году космонавты Л. Кизим и В. Соловьев продолжили эксперименты, соединяя элементы крупногабаритных ферменных конструкций. Одновременно были разработаны методы, технология и аппаратура для сборки и ремонта конструкций в космосе. Логическим завершением этих работ явилось создание в ИЭС им. Е.О. Патона комплекса электронно-лучевой сварочной аппаратуры «Универсал», предназначенной для оснащения больших орбитальных станций типа «Мир-2». Комплекс «Универсал» имеет в своем составе четыре электронно-лучевых инструмента и ряд вспомогательных приспособлений, позволяющих выполнять в космосе сварочные работы широкого диапазона при профилактическом обслуживании и ремонте различных космических аппаратов. В 1990–1991 гг. комплекс прошел наземные испытания и получил высокую оценку.

Эксперименты по сварке в космосе открыли новую страницу в освоении Вселенной. Впервые в мировой практике в космическом пространстве осуществлен технологический процесс, связанный с нагревом и плавлением металла. В целом к началу 70-х гг. ХХ в. 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 выполняться с использованием автоматических процессов. Поэтому на следующем этапе исследований была поставлена задача по разработке аппаратуры и технологии ручной сварки и резки в космосе.