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.
Фокусирующая система может быть линзовой или зеркальной. Последнюю целесообразно применять при мощности излучения выше 2…3 кВт. Линзовые системы имеют сферическую аберрацию значительно большую, чем зеркальные, но первые компактнее, хотя и менее надежны. Для повышения надежности фокусирующие системы снабжают устройствами защиты оптических деталей от пыли, дыма, паров и брызг обрабатываемого материала (газовые завесы и др.). Они также должны иметь устройства стабилизации положения фокуса относительно обрабатываемой поверхности, которые исполнены с опорой на поверхность изделия или без опоры с емкостным датчиком.
С фокусирующими системами сочленяются в сварочных установках системы газового подавления плазмы и газовой защиты шва; резательных — устройства подачи вспомогательного газа; наплавки — дозаторы порошка,
обеспечивающие расход 1,5…300 мм3/с
Для увеличения ширины зоны обработки при наплавке применяют устройства для сканирования лазерного пучка по круговой либо пилообразной траектории с частотой 10..300 Гц, которое осуществляется, как правило, колебанием одного из зеркал в системе транспортировки или фокусировки пучка (обычно последнего). Синхронно с перемещением пучка движется и сопло, подающее в зону наплавки присадочный материал.
Различают оборудование для лазерной сварки и резки листовых и объемных заготовок. Типичные конструктивные схемы оборудования для обработки листов с постоянной и перемещенной длиной оптического тракта приведены на рис. 2.19, а—г . По одной или одновременно по двум координатам перемещается лист обрабатываемой заготовки или излучатель / лазера вместе с лазерным инструментом. Пучок передается в зону обработки с помощью неподвижных или подвижных отражающих зеркал. По схеме, показанной на рис., я, создается оборудование на базе высечных ножниц, прессов (лазер-пресс), координатных столов, фрезерных станков. По схеме, показанной на рис., б, в, реализуются машины портальной конструкции, причем излучатель лазера может устанавливаться на подвижном портале, каретке поперечного хода или стационарно . Недостаток оборудования с переменной длиной оптического тракта — изменение параметров сфокусированного пучка в различных точках зоны обработки ввиду наличия расходимости излучения. Чтобы обеспечить требуемую производительность и качество резки, максимальная длина оптического тракта не должна превышать 6… 10 м при расходимости излучения в пределах 1…1,5 мрад. Для обеспечения постоянного положения фокальной плоскости относительно поверхности обрабатываемого листа, который может иметь волнистость, оптический инструмент имеет возможность перемещаться по оси.
При обработке труб или обечаек предусматривается вращение заготовки и перемещение в горизонтальной плоскости отражающего зеркала (иногда вместе с излучателем лазера). Оборудование для обработки объемных заготовок имеет 3—6 степеней подвижности в зависимости от конфигурации заготовок. В качестве приводов для обработки простых прямолинейных контуров применяют в основном тахометрические электромеханические приводы, а для обработки криволинейных контуров — следящие электромеханические приводы с тиристорными или транзисторными усилителями. В последнее время нашли распространение также электроприводы с линейными электродвигателями. Конечными кинематическими звеньями электромеханических приводов машин с размерами зоны обработки до 1 х | м являются, как правило, ша-риковинтовые пары машин с большими габаритами зоны обработки — реечные передачи.
При сварке и резке сложных контуров используются многокоординатные системы ЧПУ на базе микроЭВМ. Система ЧПУ управляет координатными перемещениями оборудования, а также технологическими операциями включения излучения, вспомогательных газов и др. На современных портальных машинах для резки электроприводы и система ЧПУ располагаются, как правило, на подвижном портале. Для подготовки управляющих программ оптимального раскроя листов применяют автономные программирующие центры на базе мини-ЭВМ типа СМ 1420.
Оборудование для сварки или резки объемных заготовок создается на базе портальных роботов или роботов антропоморфного типа. Программирование производится методом обучения или расчетным путем.
Сваркопайка изделий нахлесточными соединениями из разнородных металлов (например, из титана и алюминия) осуществляется на контактных точечных и шовных машинах, основными операциями которых являются сжатие и нагрев деталей током. Наиболее перспективны установки с нагревом переменным током промышленной частоты, постоянным током и конденсаторные. Режим сварки выбирается таким образом, чтобы произошло частичное оплавление более низкотемпературного металла, а соединение происходило за счет смачивания им второго металла. Для получения таких соединений успешно применяют машины: для контактной точечной сварки на переменном токе МТ и др.; для конденсаторной точечной сварки МТК и др.; для шовной сварки на переменном и постоянном токе МШ и др.
Особо следует отметить перспективность применения установок большой мощности (более 500 кВ-А), например, машин для рельефной сварки. Так, машина, имеющая номинальную силу тока 100 кА (номинальная мощность 800 кВ • А) и усилие сжатия до 80 кН, успешно применена для сваркопайки композиционных материалов на основе алюминия с алюминием, медью, титаном, коррозионно-стойкой сталью. Соединяются как плоские, так и трубные заготовки, причем в последнем случае при необходимости за счет особой конструкции приспособления можно обеспечить всестороннее сжатие. При соединении материалов с однородной основой, как правило, применяют более легкоплавкий припой.
Для получения стыкового соединения методом сваркопайки труб и прутков диаметром менее 20 мм из разнородных металлов (сталь-титан, коррозионно-стойкая сталь—ниобий или медь) для нагрева используют дугу низкого давления. Установки для осуществления этого процесса включают вакуумную камеру с соответствующей системой откачки, источник переменного тока и систему управления. Внутри вакуумной камеры располагаются подвижный и неподвижный зажимы, предназначенные для крепления соединяемых деталей и подвода к ним электрического тока. Режим нагрева подбирается таким образом, чтобы торец менее тугоплавкой детали оплавился, а более тугоплавкой нагрелся до температуры смачивания. После этого торцы быстро сближаются. Обычно такие установки получают переоборудованием имеющихся установок, например, на базе установок УДСВ.
В последние годы получил распространение процесс сваркопайки с использованием процесса аргонодуговой сварки с присадкой в зону дуги припоя в массовом производстве, например, в автомобилестроении. В Японии разработано специализированное оборудование, отличающееся высокой степенью автоматизации. На поворотном столе размещаются стальные изделия . Сварочная головка и катушка с присадочной проволокой размещены на специальных консолях. Все оборудование, включая баллон с аргоном и блок управления , смонтировано в одном корпусе. Установка работает следующим образом. При нахождении детали в исходном положении включается подача аргона, затем сварочный ток. После этого начинается прогрев вращающегося изделия за счет теплоты дуги, горящей между неплавящимся электродом и изделием. После подогрева изделия до температуры смачивания стали латунью (контроль по времени) включается механизм 5 подачи проволоки и под дуту начинает подаваться латунь, причем в строго определенное время. Затем ток и подача проволоки отключаются, а шов, полученный за счет использования процесса сваркопайки, несколько секунд обдувается аргоном, после чего подача его прекращается. Затем стол перемещается на следующий шаг, и процесс повторяется.
Преимущества такого оборудования следующие: высокая производительность, исключение применения флюса, высокое и стабильное качество за счет точного соблюдения всех параметров процесса.
Сваркопайка, безусловно, не универсальный процесс. Однако во многих случаях, особенно при соединении разнородных материалов, этот метод позволяет найти наиболее рациональное решение, особенно при использовании специализированного автоматизированного оборудования.
Оборудование для воздушно-дуговой резки (ВДР) включает резаки для ручной резки и токовоздухопроводы к ним, источники питания, технологическое и вспомогательное оборудование для механизированной и автоматической резки, систему приточно-вытяжной вентиляции.
Резаки, соответствующие условиям работы сварочных и заготовительных цехов, а также обрубных участков литейных производств, должны удовлетворять следующим основным требованиям: обеспечивать работу в труднодоступных местах сварных конструкций и на внутренних полостях отливок; иметь надежное крепление электрода, а также электро- и теплоизоляцию; минимально возможные габаритные размеры и массу; обеспечивать стабильно направленное воздушное дутье заданной интенсивности; обеспечивать быструю смену зажимных губок или замену всей головки. Типы и основные параметры ручных резаков для ВДР регламентированы .
Резаки классифицируют: по принципу зажатия электрода — винтовые, цанговые, рычажно-пружинные, с пневмозажимом, клиновые; по способу подачи воздуха — цилиндрические или щелевые; по форме электрода — круглые или плоские; по виду охлаждения — воздушные или водяные; по условиям эксплуатации — для поверхностной резки-строжки или разделительной резки .
Резаки с винтовым зажимом отличаются простотой и надежностью контакта практически на любых токах, однако смена электрода, требует длительного времени и вспомогатель-^ ного инструмента. Кроме того, затруднена изоляция головки резака, что препятствует его применению для обработки внутренних полостей. Резаки с цанговыми зажимами надежны в работе с круглыми электродами с силой тока менее 800 А, но головки этих резаков сложны и трудоемки в изготовлении. Резаки рычажно-пружин-ного типа, например, РВД наиболее широко применяют для работы на наружных поверхностях деталей с силой тока менее 1000 А. При выполнении резки внутри полостей рычажный зажим затрудняет манипулирование резаком. Для работы с силой тока свыше 1000 А необходимо устанавливать мощные пружины, что усложняет процесс смены электродов.
Резаки с пневмозажимами более компактны, удобны в работе не только на наружных, но и на внутренних поверхностях отливок. Однако при смене электрода обязательно нужно перекрывать сжатый воздух, поскольку вентиль расположен сразу за рукояткой резака. Это дополнительное сопротивление на пути сжатого воздуха сказывается на интенсивности дутья. Резаки с пневмозажимами сравнительно сложны по устройству и более трудоемки в изготовлении, чем держатели с рычажно-пружинным зажимом. Разработаны резаки с пневмозажимами с силой тока 500, 1000 и 1300 А Резаки с зажимами клинового типа отличаются наиболее надежным креплением плоского электрода. Головки резаков с клиновым зажимом могут быть прямыми (для поверхностной ВДР) и угловыми (для срезки металла в полостях и окнах деталей или отливок). Резаки с зажимами клинового типа имеют марки РВДл и др.
Для охлаждения нагретых частей головки резака и всего устройства используют воздух, поступающий на дутье. Еще более эффективно охлаждение деталей резака и токовоздухопро-вода негорючей жидкостью, например, водой. Резаки с водяным охлаждением более компактны, чем с воздушным. Вода, поступающая на охлаждение токо-ведущих деталей, может одновременно использоваться для образования водовоздушной эмульсии, выполняющей ту же роль, что и воздушное дутье. При этом наличие воды в атмосфере рабочей зоны электрической дуги и газовой струи снижает количество пыли и сварочных аэрозолей во внешней среде.
Использование водовоздушной смеси в качестве технологического дутья повышает эффективность охлаждения и снижает площадь сечения токоведущих жил. Например, при работе с силой тока 1500 А площади сечений токоведущих жил следующие: без охлаждения 250 мм2; с воздушным охлаждением 125 мм2; с водовоздушным 80 мм2 и 50 мм2 .
Рациональной системой подвода тока и воздуха для резаков всех типов является совмещенный токовоздухопровод , состоящий из штуцеров и 5 с цилиндрическими хвостовиками, к которым припаяны токо-ведущие жилы 2, равномерно расположенные по окружности хвостовиков. Наружной оболочкой служит дюритовый шланг 3, рассчитанный на давление до 1,2 МПа.
