В статье проводится обзор перспектив применения технологии лазерной сварки (ЛС) в условиях космического пространства. Рассматривается электронно-лучевая сварка (ЭЛС) на Земле и в космическом пространстве. Подробно изучаются характеристики и результаты ряда опытов ЭЛС, проводимых космонавтами Светланой Савицкой и Владимиром Джанибековым в 1984 году с помощью универсального ручного инструмента (УРИ). Рассматривается ЛС (на Земле и в вакууме): её характеристики. Сравнения (ЭЛС) и (ЛС) в условиях Земли. Проводится попытка теоретического сравнения (ЛС) и (ЭЛС) в условиях космоса.
Ключевые слова: лазерная сварка, электронно-лучевая сварка, перспектива лазерной сварки в космосе.
Введение. В настоящее время существует проблема транспортировки крупногабаритных цельных конструкций с Земли на орбиту. Эта проблема требует больших ресурсов и сталкивается с техническими трудностями. Решением этой проблемы является сварка в космическом пространстве, поскольку этот метод позволяет доставлять отдельные детали и сваривать их на орбите. Метод сварки в космосе позволит повысить эффективность строительства и уменьшить затраты. Существует большое количество видов сварки. Однако наиболее подходящими для условий космического пространства являются следующие виды сварки: лазерная и электронно-лучевая. При этом лазерная сварка является более предпочтительной, чем электронно-лучевая для работы в космосе. Этот вид сварки в космосе является актуальным и в будущем позволит строить конструкции на орбите.
Основная часть
ЭЛС — процесс, предполагающий соединение при помощи излучения электронов. Электронное излучение — это не что иное, как бомбардировка поверхности материала пучком электронов, сгенерированных электронной пушкой. Летящие электроны, сфокусированные в плотный пучок, ударяются на большой скорости о малую площадку на изделии. На данном этапе кинетическая энергия электронов вследствие их торможения превращается в теплоту, нагревая материал до высоких температур.
В конце 60-х годов 20-го века проводились эксперименты по сварке и резке в условиях космоса. К тому времени сложилось четкое представление, что для сборки космических станций и ремонтных работ внутри и снаружи орбитальных кораблей может быть использовано электронно-лучевое сварочное оборудование. В то время ЭЛС рассматривался как ведущий метод сварки в открытом космосе. Электронно-лучевая сварочная аппаратура, предназначенная для работы в космическом пространстве, должна обладать рядом технических решений в связи с многочисленными требованиями. Все эти требования были учтены при разработке установки «Вулкан», испытания которого прошли на космическом корабле «Союз-6» в 1969 г. После проведения ряда испытаний были получены результаты, которые подтвердили принципиальную возможность осуществления в космическом пространстве монтажных и восстановительных работ. Это привело к созданию в ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР соответствующего универсального ручного инструмента на базе электронно-лучевой сварочной аппаратуры. В рамках экспедиции к орбитальной станции «Салют-7», летчиками-космонавтами СССР С. Е. Савицкой и В. А. Джанибековым успешно проведен эксперимент в открытом космосе по выполнению технологических операций — сварке, резке, и пайке металлов. Впоследствии, при детальном разборе полученных результатов институтом электросварки им. Е. О. Патона был выпущен сборник научных трудов «Проблемы космической технологии металлов».
В сборнике приведен анализ структуры швов, произведенных в условиях космоса, а также сравнение этих швов со швами, полученными в земных условиях.
Исследования проводились по направлениям:
1) Макроструктура и микроструктура
2) Фазовый состав
3) Газонасыщенность металла
Способы исследования:
1) Металлографический
2) Электронно-микроскопический
3) Микрорентгеноспектральный анализ
4) Механические испытания (на статический разрыв; на временное сопротивление разрыву)
5) Метод горячей экстракции
Факторы исследования:
1) Микрогравитация и невесомость
2) Высокий вакуум
3) Ограниченный теплоотвод
4) Повышенная радиация
5) Особый температурный режим
Опыт: сварка технического титана в космосе и на Земле
Вывод: в строении микроструктуры шва имеется имеется ряд отличий α-фазы. Эти морфологические особенности структуры металла шва близки по строению к структуре литого металла, охлаждавшегося с очень высокими скоростями в условиях сильного напряженного состояния.
Микротвердость в космосе:
Опыт: сварка образцов из нержавеющей стали Х18Н10Т
Вывод: структура металла шва из этой стали, полученного на Земле, несколько грубее, количество α-фазы в нем больше, чем в шве, выполненном в условиях космоса. Также отличия наблюдаются в дисперсности α-фазы и количестве дислокаций. α-фаза в космических образцах более дисперсная, а плотность дислокаций более высокая. По-видимому, это следует отнести за счет большой скорости охлаждения (кристаллизации) металла шва и возникающих в этом случае термическом напряжении
Общий вывод: результаты материаловедческих исследований показывают, что свойства металла сварных швов (титан и сталь), сваренных вручную электронным лучом в космосе и в наземных барокамерах, достаточно близки. Имеющиеся незначительные отличия в микроструктуре, в распределении примесей, вторичных фаз и в газовом составе можно объяснить несоответствием внешних условий, главным образом остаточной атмосферы и теплоотвода. Исследование, на содержание кислорода и водорода в сварном шве в условиях Земли и космоса, показало, что количество кислорода незначительно увеличивается, а количество водорода уменьшается в несколько раз, как на Земле, так и в космосе.
Название опыта : влияние гравитационных сил, растворенного водорода и исходной температуры на свойства и плотность соединений при электронно-лучевой сварке легких конструкционных сплавов
Опыт: экспериментальные работы проводились на летающей лаборатории Ту-104А и в наземных условиях. Была проведена сварка АД00, АМг6, АМг3, ИМВ-2.
Вывод: из анализа результатов исследований видно, что химический состав металла швов исследуемых сплавов при различных технологических вариантах сварки практически не зависит от действующих в процессе сварки гравитационных сил, исходных температур и газ содержания металла
Лазерная сварка — процесс, предполагающий соединение при помощи лазерного излучения. Лазерное излучение — это не что иное, как бомбардировка поверхности материала пучком фотонов, сгенерированных квантовым лазерным генератором. На поверхности часть луча отражается, а часть проходит внутрь, что приводит к нагреву и плавлению материала, формированию сварного шва.
Ввиду многообразия способов возбуждения и исполнения лазерного излучения, спектр областей применения так же широк, чего нельзя сказать про остальные виды и способы сварки
Виды лазеров, используемые для сварки:
По типу возбуждения лазера:
1) Твердотельные (импульсно-периодического и непрерывного действия) [η≈35 %]
2) Газовые (импульсно-периодического и непрерывного действия) [η≈35 %]
3) Полупроводниковые/волоконные (импульсно-периодического и непрерывного действия) [η≈70 %]
По глубине проплавления:
1) Сварка глубокого проплавления (δ>1 мм)
2) Сварка малых толщин (δ<1мм)
Технологические признаки
Безынерционность луча, высокая концентрация энергии и малое время воздействия позволяет осуществлять сварку в различных пространственных положениях практически без изменения геометрии проплавления, что существенно расширяет технологические возможности этого метода.
Экономические признаки
Лазерная сварка с точки зрения ее классификации имеет несколько существенных экономических признаков, характеризующих эффективность рассматриваемых методов.
1) Скорость сварки
сварка с непрерывным излучением обладает высокой скоростью, что позволяет в 10–15 раз увеличить производительность по сравнению с традиционными методами сварки плавлением. В результате высоких скоростей снижается погонная мощность (отношение мощности к скорости)
2) Экономия материала
отсутствие необходимости разделки кромок и использования присадочной проволоки
3) Локальность обработки
Концентрация луча в пятно диаметром до 0.1 мм. Следовательно, объем сварочной ванны в несколько раз меньше. Снижение объема расплава и получения швов с большим отношением глубины проплавления к ширине шва дает возможность уменьшения деформации деталей до 10 раз.
Преимущества лазерной сварки перед электронно-лучевой:
1) Малый объем расплавленного металла и специфическая форма шва также улучшают в целом ряде случаев условия кристаллизации, что повышает свойства сварных швов
2) Острая фокусировка луча и возможность передачи его на значительное расстояние позволяют осуществлять сварку в труднодоступных местах
3) Использование лазерного луча полностью исключает появление дефекта отклонения, как у электронного луча, от стыка соединяемых деталей в результате остаточной намагниченности ферромагнитных сталей, так как поток фотонов не взаимодействует с магнитным полем
4) Сварка разнородных материалов и неметаллов
5) Возможность заглубления фокуса лазерного луча
6) Возможность сварки высокоточных конструкций
7) Сварка без правок и механической обработки
Из статьи «Лазерная сварка в вакууме — перспективная сварочная технология изготовления изделий ответственного назначения» Беленький В. Я.… становится понятно, что эксперименты по сварке в условиях вакуума уже проводились.
Цитата:
«…лазерный луч значительно меньше взаимодействует с атомами остаточных газов и паров металла из зоны обработки, что позволяет вести процесс сварки в низком вакууме. При ведении сварочного процесса лазерным лучом в вакууме глубинка проплавления может быть увеличена в несколько раз по сравнению с лазерной сваркой в атмосфере…» Цитата окончена.
По результатам статьи можно судить, что лазерная сварка в вакууме возможна и не уступает другим видам сварки по качеству сварного шва, в том числе и электронно-лучевой, а, значит, вполне способна заменить электронно-лучевую сварку при работе в условиях космоса.
Все вышеперечисленные особенности и преимущества лазерной сварки позволяют предположить, что лазерная сварка является перспективным направлением при использовании в космическом пространстве и других объектах космоса. Предположительно, для космоса лазерное оборудование может быть использовано в качестве приборов следующего назначения: лазерная сварка, очистка, наплавление. В качестве сварки прибор может применяться космонавтами на борту будущей Российской Орбитальной Станции (РОС) или при создании ферменных, тонколистовых и прочих конструкций на Луне или Марсе. В качестве очистки прибор может быть использован также на борту РОСа для очистки внутренних панелей станции от загрязняющих налетов, а также чистки скафандров и солнечных батарей.
Литература:
- Проблемы космической технологии металлов ИЭС им. Е. О. Патона
- Лазерная сварка металлов А. Г. Григорьянц И. Н. Шиганов
- Электронно-лучевая сварка ИЭС им. Е. О. Патона
- Лазерная сварка в вакууме — перспективная сварочная технология изготовления изделий ответственного назначения Беленький В. Я., Трушников Д. Н., Федосеева Е. М., Летягин И. Ю., Младенов Г., Колева Е.
