Сварка контактным плавлением благодаря ряду технологических особенностей может быть эффективно использована при изготовлении многих деталей, узлов и конструкций, особенно тонкостенных.
Сварка контактным плавлением может быть ручной или механизированной. Установка для ручной сварки состоит из электродо-держателя и источника питания. При сварке в среде защитного газа в состав установки входит комплект газовой аппаратуры.
Ручной держатель, предназначенный для сварки в атмосфере защитного газа, выполняет следующие функции: подвод сварочного тока к неплавящемуся электроду посредством скользящего контакта; подачу защитного газа в зону сварки и равномерное его распределение в струе кольцевого сечения, направленной вдоль электрода.
Электрододержатель состоит из сварочной головки и изолирующей рукоятки, через внутреннее отверстие которой подведен шланг для подачи газа . Внутри шланга проложен также гибкий медный провод III и трубки водяного охлаждения. Неплавящийся электрод закрепляется внутри сварочной головки с помощью цангового зажима. При сварке используются электроды диаметром 3…10 мм. Водяное охлаждение необходимо при непрерывной работе и большой силе тока сварки. Сварка плавящимся электродом производится с помощью малогабаритного ручного полуавтомата пистолетного типа. Полуавтомат состоит из механизма подачи электродной проволоки, узла токопровода и системы газовой защиты. В состав подающего механизма входят: электродвигатель с редуктором (расположены в ручке полуавтомата), тянущий и прижимной ролики, направляющие втулки, система прижима с регулировочным устройством, смонтированные в верхней части основания корпуса; в нижней части находится ручка полуавтомата. На корпусе закреплен держатель токоподводя-щего мундштука, который подключается гибким кабелем к источнику питания. Защитный газ через сопло, зафиксированное на держателе мундштука, подается в зону сварки. На ручке полуавтомата закреплен микропереключатель, который служит для включения двигателя подачи.
Для сварки коррозионно-стойкой стали применяют сварочную проволоку главным образом диаметром 1,2 мм из стали 12Х18Н10Т, в качестве защитного газа — аргон; расход газа составляет 2…3 л/мин. Сварка малоуглеродистых сталей производится сварочной проволокой диаметром 1,2 мм марки Св. Для сварки контактным плавлением разработан ряд специализированных установок, на которых процесс сварки выполняется по автоматическому циклу: для сварки сильфонов, кольцевых стыков труб и трубопроводов” (в том числе в монтажных условиях); для сварки полупроводниковых приборов, тонкостенных сосудов, различного типа заглушек, продольных швов тонкостенных труб большого диаметра; для сварки термосов (комплекс).
Особенности основных узлов. Установка для механизированной сварки контактным плавлением включает: механическую часть, предназначенную для выполнения сборочно-сварочных операций; электрическую часть управления сборочно-сварочными операциями; источник питания; узлы аппаратуры газового обеспечения защиты зоны сварки. В состав механической части установки входят узлы, обеспечивающие сборку деталей под сварку и узел подвода тока к месту сварки. В большинстве случаев, на специализированных установках сварка производится по двухэлектрод-ной схеме, когда оба полюса источника питания подключают к сварочным электродам. При такой схеме практически исключается значительное протекание тока по свариваемой детали, благодаря чему сводятся к минимуму дополнительные потери энергии и деформация деталей от теплового воздействия. Кроме того, в 2 раза сокращается машинное время сварки.
При двухэлектродной схеме сварки электроды обычно размещены диаметрально противоположно и подпружинены, в результате чего создается необходимое давление в месте контакта электрод—деталь, исключаются ценообразование и нарушение процесса сварки. Для сварки применяют неплавящиеся электроды из тугоплавкого материала — вольфрама или молибдена (прутки диаметром 2… 10 мм) или специально разработанные электроды из керметов, в состав которых входят нитриды титана (основа), оксиды алюминия, вольфрам или молибден, никель и другие компоненты. Электроды из кермитов имеют цилиндрическую форму (3…10 мм), а контактный торец — клиновидную или конусную форму с закруглением на вершине. Один из электрододержателей изолирован от корпуса установки во избежание шунтирования тока помимо места сварки.
При сварке контактным плавлением подпружиненными электродами осуществляется самокопирование свариваемой поверхности, в связи с чем исключается необходимость в копирующем устройстве и упрощается конструкция сварочной установки. Электрододержатели закрепляются на планшайбе, которая перемещается посредством электропривода. Подвод тока к электрододержателям осуществляется через гибкие перемычки, позволяющие держателям свободно качаться на оси их крепления в необходимых пределах при скольжении электродов по свариваемому стыку. Подеод тока к гибким перемычкам производится через скользящий контакт.
В тех случаях, когда во время сварки движется свариваемая деталь, электрододержате-ли крепятся в неподвижной головке или на стойках. При этом исключается скользящий токоподвод, что упрощает конструкцию токо-подводящего узла и повышает надежность работы системы токоподвода. Питающие кабели подсоединяются непосредственно к гибким перемычкам, связанным с электрододержате-лями.
Особенности установок. Установка А-1459 для сварки стальных трубопроводов в монтажных условиях состоит из комплекса сварочных головок для сварки поперечных стыков труб диаметром 20, 30 и 50 мм.
Сварочная головка А-1384 предназначена для равномерного поступательного перемещения электродов вдоль свариваемого стыка, удержания электродов на стыке подвода сварочного тока к электродам, крепления на ней вспомогательных узлов и деталей и проведения сварочных работ с целью получения прочного и герметичного соединения изделий. В конструкцию сварочной головки входят корпус, узлы электрододержателей, прижима электродов и подачи защитного газа. Разъемный корпус обеспечивает установку сварочной головки на изделие, ее крепление и исключает поперечное перемещение электродов на стыке. Привод вращения головки вокруг свариваемого стыка осуществляется от электромеханизма ДП2-26 через планетарный редуктор.
Малогабаритная сварочная головка Н, предназначенная для сварки кольцевых стыков трубок из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т, выполнена по двухэлектродной схеме с использованием неплавящихся электродов из кермитов или вольфрама . Неразъемный корпус головки имеет вырез в радиальном направлении для возможности ее установки на трубопровод и снятие ее со стыка после окончания сварки. Узел сборки и центровки трубок оригинальной конструкции состоит из разъемных цанг, расположенных в направляющих, и специальных гаек с радиальным вырезом, посредством которых осуществляется перемещение цанг при фиксации трубок. Подвод тока к электрододержателям производится через скользящий контакт. Вращение планшайбы с электродами осуществляется посредством электродвигателя через понижающий редуктор. Сварочная головка Н обеспечивает качественную сварку стыков трубок.
Установка предназначенная для сварки поперечно-шовных сильфонов с наружным диаметром 62 мм и внутренним 40 мм с толщиной стенки 0,2 мм из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т, имеет сборочные устройства. Первоначально свариваются внутренние швы, когда соединяются два элемента сильфона; сварка осуществляется по од-ноэлектродной схеме неплавящимся электродом из вольфрама диаметром 3 мм. Для обеспечения качественной защиты соединений сварка сильфонов выполняется в защитной микрокамере.
Для механизированной сварки одно- и двухлитровых термосов из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т с толщиной стенки 0,5 мм разработан комплекс установок УД. Комплекс состоит из шести установок. Последовательность работы комплекса по сварке термосов следующая: сварка поперечного кольцевого стыка внутренней колбы; сварка крышки наружной колбы с обечайкой; сварка горловины с внутренней колбой; сварка горловин внутренней и наружной колб; приварка дна к наружной колбе; сварка горловины с наружной колбой.
В комплект каждой установки входят: станина с вращателем; блок сварочных головок с электрод одержателям и; центратор и сборочные устройства; источник питания типа И; шкаф управления; устройства для загрузки деталей и выгрузки сваренных узлов.
Соответствие функциональным задачам включает строгое обеспечение требуемой мощности, скорости сварки или резки, глубины проплавления, фокусировки пучка, номенклатуры свариваемых и разрезаемых материалов и др. В то же время значительный запас по основным параметрам приводит к противоречию с другими требованиями, предъявляемыми к аппаратуре.
Безопасность при функционировании сварочной аппаратуры в космосе включает защиту от высокой температуры, до которой может быть нагрет расплавленный металл или отдельные детали оборудования, от электронного луча, от повышенного напряжения источников питания, а также от сопутствующих явлений (рентгеновского и инфракрасного излучения, электро- и радиопомех и др.). Безопасность достигается соответствующим выбором параметров аппаратуры.и конструктивных решений локализацией зон потенциальной опасности, введением различного рода ограждений, экранов, ловушек, блокировок и пр.
Высокая надежность подразумевает надежность технологии как физического процесса (процессов) и надежность функционирования оборудования. Обе эти составляющие взаимосвязаны. Надежность технологии в большей степени зависит от сведений об условиях выполнения процессов сварки или резки и степени их предварительной обработки, а надежность функционирования оборудования — от правильности конструктивных решений, выбора и качества конструкционных материалов и комплектующих изделий, резервирования функционально важных узлов и др.
Минимальные габаритные размеры, масса и энергоемкость обеспечиваются, как правило, рациональным выбором конструкционных материалов и комплектующих изделий, отвечающих современным требованиям; тщательным выполнением предварительных тепловых и механических расчетов; оптимизацией эксплуатационных параметров и др. Эти требования обычно противоречат повышению надежности и безопасности. В свою очередь, повышение безопасности препятствует качественному и полному выполнению функциональных задач, повышению надежности и т. д. Поэтому приходится оптимизировать требования к оборудованию с учетом приоритетности каждого из них. Контроль параметров процесса возможен сопутствующий, последующий и одновременный. -При сопутствующем контроле непосредственное участие в нем принимают операторы: обычно один-два наиболее важных параметра непрерывно отображаются на табло индикации, а остальные измеряемые параметры проверяются периодически по вызову. Одновременно все измеряемые параметры через собственную систему телеметрии сварочной установки подаются на вход системы телеметрии космического объекта, регистрируются его записывающими устройствами и через определенные промежутки времени передаются на Землю. Это необходимо для последующего контроля и анализа режима работы установки.
Диагностирование состояния оборудования необходимо перед первым включением его после доставки с Земли на борт космического объекта и перед каждым последующим включением после хранения на борту. В зависимости от сложности и ответственности оборудования применяют различные системы диагностирования: от простейшей, отвечающей лишь на вопрос “функционирует—не функционирует”, до развитой, позволяющей определить неисправный узел, с достаточной степенью вероятности оценить причину неисправности, принять решение о необходимости перехода на резервные системы или зарегистрировать факт автоматического их подключения.
Совместимость с системами и экипажами космических объектов подразумевает: отсутствие взаимных помех при функционировании сварочного оборудования и других систем объекта; согласование параметров систем энергопитания, телеметрии и терморегулирования (при необходимости); максимально возможную степень использования имеющихся на борту объекта оборудования и аппаратуры; удобство обслуживания и соответствие внешнего вида сварочного оборудования интерьеру объекта; соответствие органов управления и индикации антропометрическим данным экипажа объекта и специфике защитного снаряжения, если такое имеется.
Ремонтопригодность ввиду сложности космического сварочного оборудования и высокой стоимости доставки на космические объекты требует обеспечения ресурса его работоспособности, измеряемого десятками лет. Такой ресурс возможен только при замене отдельных блоков или узлов. Аппаратура должна обеспечивать быструю, легкую и безопасную их замену. Как правило, замена производится в герметичных отсеках космических объектов. Но в ряде случаев может потребоваться замена и за бортом. При этом должна быть обеспечена возможность замены оператором, снаряженным в скафандр. Конструкция. Для сварки в космосе используется довольно сложный комплекс аппаратуры, объединенной единой функциональной задачей (рис. 2.15). Основным звеном комплекса является технологическая аппаратура /, под которой понимаются собственно установка для сварки и резки. Первая в мире установка для сварки и резки в космосе “Вулкан”, разработанная в Институте электросварки им. Е. О. Патона, показана на рис.. Технологическая аппаратура нуждается в специально оборудованном рабочем месте, которое, в зависимости от зі-дач, может быть стационарным или переносным. Самостоятельным звеном комплекса космической сварочной аппаратуры является комплект вспомогательных приспособлений предназначенных для механизации трудоемких или опасных операций. Весь комплекс аппаратуры связан с основными энергетическими и информационными системами космических объектов. Технологическая аппаратура, базирующаяся на электронно-лучевых источниках нагрева, состоит из нескольких взаимосвязанных, но функционально самостоятельных узлов
Электронно-лучевые пушки, используемые в космической сварочной аппаратуре, существенно отличаются от применяемых на земле. Их назначение — сварка и резка тонколистового металла. В связи с этим в космической аппаратуре используются высокоперве-ансные короткофокусные пушки с относительно большим углом сходимости пучка. Это позволяет изготовлять их достаточно простыми, надежными, безопасными и малогабаритными. Низкое ускоряющее напряжение позволяет свести к минимуму уровень тормозного рентгеновского излучения. Малое фокусное расстояние резко снижает риск поражения электронным пучком непреднамеренно попадающих в зону его действия объектов. Оптическая система пушек должна быть термостабильна и обеспечивать минимальные потери. Наиболее перспективны для космических условий пушки с однокаскадной (электростатической) и комбинированной — электростатической и электромагнитной фокусировкой. В автоматических сварочных установках для космоса в состав пушки могут вводиться отклоняющие системы. Возможно использование прямонакальных пушек и пушек с косвенным накалом.
Электропитание космической сварочной установки производится от бортовой сети космического объекта. Она представляет собой сеть постоянного тока номинальным напряжением 27 В. В процессе работы могут наблюдаться значительные колебания напряжения питающей сети, достигающие ±15%. Для обеспечения требуемых электронно-лучевыми установками параметров необходимо: во-первых, преобразовать постоянное напряжение в переменное, а, во-вторых, — обеспечить его стабилизацию на уровне ±0,5%. Это является функциями вторичного источника питания (ВИП). Кроме того, ВИП является исполнительным органом, обеспечивающим регулировку выходной мощности и ее стабилизацию на заданном уровне. При этом ВИП взаимодействует с высоковольтным блоком (ВБ) и блоком управления (БУ).
ВИП представляет собой силовой транзисторный преобразователь (или несколько преобразователей), оснащенный периферийными системами для связи с ВБ и БУ. В состав ВИП входят также узлы измерения выходных и входных параметров и система терморегулирования (СТР), обеспечивающая стабильный тепловой режим функционирования. При необходимости СТР ВИП подключается к СТР объекта. Частота преобразования может быть различной, в зависимости от задач (от единиц до десятков килогерц). Уровень выходного переменного напряжения ВИП 27… 100 В.
Задачей высоковольтного блока (ВБ) является преобразование выходного напряжения ВИП до уровня, необходимого для электропитания электронно-лучевых пушек. Как правило, питание анодных цепей производится постоянным током напряжением 5… 10 кВ. Соответственно в состав высоковольтного блока входят повышающий трансформатор и высоковольтный выпрямитель. Накальные цепи пушки питаются переменным током напряжением 2…20 В в зависимости от задач. Для этого используется понижающий накальный трансформатор, вторичная обмотка которого находится по отношению к аноду пушки под высоким (5… 10 кВ) напряжением. В случае использования нескольких пушек в состав ВБ может входить несколько накальных трансформаторов.
При использовании пушек с управляющим прикатодным электродом в состав ВБ включается источник его электропитания, содержащий повышающий трансформатор, выпрямитель и элементы регулировки. Выходное напряжение 100… 1000 В. Если в состав пушки вводятся отклоняющие и дополнительные фокусирующие системы, то необходимы соответствующие источники их электропитания, которые тоже условно включаются в состав ВБ.
Для обеспечения надежности и безопасности ВБ изготавливается в виде моноблока, заливаемого эпоксидным компаундом. При этом обеспечивается его длительная работоспособность в глубоком космическом вакууме. На вход моноблока подается низкое переменное напряжение от ВИП, а с выхода снимается высокое ускоряющее напряжение, напряжение питания цепей накала, прикатодно-го управляющего электрода, отклоняющих и фокусирующих систем. Номинальная мощность ВБ составляет обычно 0,5…4 кВт.
К функциям БУ относятся: формирование программ функционирования установки: прием и выдача управляющих команд; обработка и выдача сигналов в систему телеметрии. Системы БУ, обеспечивающие выполнение этих функций, обычно компонуются в едином аппаратном шкафу. Одной из систем блока управления является коммутирующая исполнительная аппаратура. Элементы этой системы компонуются раздельно таким образом, чтобы обеспечивались наилучшие условия функционирования установки. Пульт управления предназначен для выдачи первичных команд и отображения необходимой оперативной информации.
На рис. 2.17 показан современный комплекс космической сварочной электроннолучевой аппаратуры УН-131, который может быть использован как при работе вручную, так и в сочетании с робототехническими устройствами.
Компоновка блоков технологической аппаратуры на космическом объекте диктуется конструктивными особенностями объекта, задачами технологической аппаратуры и условиями ее эксплуатации. Как правило, предусматривается три различных варианта компоновки в состоянии: транспортном, рабочем и консервации.
В транспортном состоянии блоки технологической аппаратуры компонуются с таким расчетом, чтобы они надежно выдерживали перегрузки, действующие на космический объект при его выведении на орбиту. В рабочем состоянии требования к компоновке определяются обеспечением наилучших условий для выполнения операторами и установкой своих функциональных задач. Для этого снимаются различные транспортные ограничения, разворачивается и оборудуется рабочее место, закрепляются необходимые вспомогательные приспособления, а блоки оборудования устанавливаются наиболее удобным для выполнения работы образом.
Космическое сварочное оборудование не рассчитано на непрерывное функционирование в течение длительного времени. Поэтому после завершения определенного этапа работ оно обычно консервируется. При консервации вновь производится перекомпоновка блоков с целью обеспечения их надежного хранения. В зависимости от задач сварочное оборудование может быть законсервировано в герметичных отсеках космических объектов или на их внешней поверхности.
Лазерное технологическое оборудование создается в виде автоматизированных лазерных технологических комплексов (АЛТК), чтобы обеспечить высокие производительность и точность обработки, а также снижение вспомогательного времени подачи заготовки в зону обработки и съема готовых деталей. Система автоматического управления АЛТК содержит локальные САУ-ТЛ,. Иногда целесообразно применение лазерного технологического оборудования с ручным управлением. Наличие робота в составе АЛТК не обязательно. Его применение оправдано при работе АЛТК в составе конвейера или когда необходимо дополнительно манипулировать обрабатываемым изделием.
В АЛТК используются газовые и твердотельные лазеры, работающие в непрерывном и импульсном режиме генерации. Это, как правило, С02-лазеры и лазеры на иттрий-алюминиевом гранате; очевидно, что в ближайшее время в АЛТК для резки будут применяться также эксимерные лазеры. Требования к лазерам, применяемым в АЛТК, приведены в табл.
СТФИ служит для транспортировки лазерного пучка от лазера до фокусирующей системы и его фокусировки. Система транспортировки лазерного пучка состоит из поворотных зеркал с устройствами юстировки, проходного датчика мощности, оптического затвора и в некоторых случаях входного коллиматора, которые расположены в защитном кожухе. Объем кожуха заполняют обеспыленным и непо-глощающим данное излучение газом (например, азотом). Иногда такие световоды делают гибкими с поворотными зеркалами, установленными на шарнирных сочленениях, которые обеспечивают поворот зеркала на угол в 2 раза меньший, чем изменение угла между осями падающего и отраженного пучка. При мощности излучения менее 1 кВт и когда требования к качеству пучка невысоки применяют гибкие волоконные световоды. Фокусирующая система гибких световодов легко сочленяется с захватом робота, который перемещает ее относительно обрабатываемого изделия согласно программе.
