Плазменно-дуговая резка. Для плазменно-дуговой резки в пресной и морской воде металла толщиной 8…40 мм на глубине до 20 м разработана специализированная установка типа “Скат”. В качестве плазмообразующего газа используется воздух. Сила тока плазмотрона с цирконовым катодом 200…600 А при напряжении на дуге 120…250 В. Скорость резки в зависимости от глубины и толщины разрезаемого металла составляет 5…24 м/ч. В состав установки входит источник питания, пульт управления, компрессор, системы осушения воздуха и охлаждения плазмотрона, гирлянда кабелей и коммуникаций, а также плазмотрон.
Наиболее эффективна плазменно-дуговая резка при разделке корпусов судов на лом, так как мощность, необходимая для работы установки, доходит до 100 кВт. Сложность эксплуатации оборудования и ограниченный ресурс работы плазмотрона не позволили широко внедрить этот способ резки.
Экзотермическая резка металлов. В последние годы за рубежом разработано оборудование и технологический процесс экзотермической резки металлов и неметаллов под водой. В комплект оборудования входят: держатель для электродов с кислородным клапаном; комплект кислородных шлангов; комплект сварочных кабелей; рампа баллонов с редуктором, рассчитанным на большой расход газа. При использовании этого способа возможна резка металла и неметаллических материалов толщиной менее 150 мм на глубине до 300 м. Производительность процесса в зависимости от условий работы, глубины и толщины разрезаемого металла 3…30 м/ч.
Для защиты глаз сварщика-водолаза от действия электрической дуги применяют защитные стекла ТС-3 (класс светофильтра ЭС-100, классификационный номер 3) при сварке в воде с видимостью до 50 см и ЭС-300 (классификационный номер 2) при сварке в воде видимостью более 50 см. Возможно также применение защитных светофильтров марки ТС . При работе в трех-болтовом водолазном снаряжении защитные стекла устанавливаются в специальных откидных приспособлениях, прикрепляемых к переднему иллюминатору при помощи обоймы.
При подводной сварке для зачистки места сварки и швов, а также для удаления наплывов, брызг металла, шлака и других дефектов сварщик-водолаз должен иметь проволочную щетку, ручной молоток-секач, зубило и щуп для проверки зазоров и правильности подгонки привариваемых листов и заплат.
При сварке трубопроводов и других гидротехнических сооружений ответственного назначения подготовка поверхности под сварку и последующая зачистка швов должны производиться с помощью шлифовальной машинки ИП с набором металлических щеток и армированных абразивных кругов толщиной 3…6 мм. Возможная глубина, на которой можно выполнять работы, 30 м. Избыточное давление в системе 0,5…0,8 МПа. Оборудование для сварки и резки в космосе
Особенности оборудования для сварки и резки в космосе связаны со свойствами окружающей среды. Такое оборудование может быть специализированным (для выполнения однотипных операций с использованием одного технологического процесса) или универсальным (позволяющим выполнять различные операции и использовать несколько технологических процессов). В подавляющем большинстве случаев в качестве источника нагрева используется электронный луч, отличающийся наибольшей универсальностью и максимальным термическим КПД [13, 16].
Требования к оборудованию. Оборудование для сварки и резки металлов в условиях космоса должно, с одной стороны, обеспечивать необходимые параметры и качество, присущие сварочной аппаратуре, а с другой, — полностью соответствовать специфичным требованиям, предъявляемым к космическим объектам. Общими требованиями к космическому сварочному оборудованию являются: соответствие функциональным задачам; безопасность; высокая надежность; минимальные размеры, масса, энергоемкость; обеспечение контроля параметров процесса и диагностирования состояния оборудования; совместимость с системами и экипажами космических объектов; ремонтопригодность.
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.
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.
