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.
Одним из наиболее распространенных способов повышения производительности установок является групповая загрузка изделий и их поочередная сварка за одну откачку камеры. С увеличением количества загружаемых в камеру изделий время цикла сварки одного изделия уменьшается. На практике количество одновременно загружаемых в камеру изделий ограничено допустимыми ее размерами и сварочных манипуляторов, усложнением их конструкций и условий загрузки—выгрузки. Кроме того, большой объем сварочных камер увеличивает время их откачки до рабочего давления, мощность, а следовательно, стоимость откачных средств и снижает надежность установки за счет усложнения и укрупнения ее конструкции.
Наиболее часто применяют установки с одновременной загрузкой и сваркой 4… 12, редко 24 изделий, например, установки типа ЦЭЛС с групповой загрузкой свариваемых изделий и только в рассмотренных выше установках для микросварки и для сварки изделий малых размеров число одновременно загружаемых деталей достигает нескольких сотен. При этом широко применяются установки с двумя сменными манипуляторами, один из которых находится в камере, а другой в это время разгружается и загружается новыми заготовками. Так, в установке для сварки микрочелноков ткацких машин с групповой загрузкой изделий используются два специальных приспособления, каждое из которых предусматривает загрузку 72 изделий. Приспособления установлены на открывающейся крышке Сварочной камеры по одному с каждой стороны. Пока свариваются 72 изделия в одном приспособлении, другое загружается заготовками. Замена приспособления в камере выполняется поворотом крышки камеры на 180° вокруг вертикальной оси. Диаметр приспособления 800 мм. На каждом изделии выполняются по четыре шва. Производительность установки достигает 140 деталей в 1 ч.
После включения пушки происходит сварка кольцевого шва изделия. По завершении сварки и вывода кратера пучок выключается, клапан отсекает сварочную камеру и она заполняется воздухом. Камера изделия тем же пневмоцилиндром опускается в гнездо поворотного стола, который поворачивается на следующую позицию, цикл повторяется. Все операции на установке, кроме загрузки и выгрузки, автоматизированы и происходят без участия человека. Производительность установки 50…80 изделий в 1 ч.
Специализированное оборудование повышенной производительности используется и для сварки более крупных изделий, в частности корпусов мостов автомобилей [18].
Одним из путей развития оборудования высокой производительности являются установки со шлюзовыми системами подачи изделий под сварку. Эти установки имеют наиболее высокую производительность вследствие выполнения вспомогательных операций, таких как загрузка и выгрузка свариваемых деталей, откачка и другие, параллельно со сварочным процессом. Шлюзовые системы могут быть периодического и непрерывного действия. Выбор той или иной системы зависит от свариваемых изделий. При сварке штучных изделий применяются системы периодического действия, у которых подача очередного изделия на сварочную позицию или перемещение сварочной пушки (или пучка) к очередному изделию требуют, как правило, остановки сварочного процесса. Шлюзовые системы непрерывного действия используются обычно при сварке изделий бесконечной или достаточно большой длины: полотен ленточных пил, триметаллической ленты для держателей маски кинескопов и др.
Конструкции шлюзовых устройств периодического действия весьма разнообразны. Необходимость исключения из конструкции поточно-вакуумной системы часто срабатывающих и недостаточно надежных вакуумных затворов привела к созданию установок, в которых в качестве затворов используются свариваемые изделия или “спутники”, в которых находятся изделия. В установках такого типа загрузка и выгрузка производятся проталкиванием или протягиванием изделий через уплотнения. При этом наружная поверхность изделий или “спутников” плотно прилегает к внутренней поверхности кольцевых уплотнителей. В месте контакта изделия или “спутника” с уплотнителем достигается герметичность. Кольцевые уплотнители и соответствующее количество свариваемых изделий образуют в устройствах загрузки и выгрузки своеобразные шлюзовые камеры между двумя соседними изделиями. Откачка из этих камер по мере продвижения изделия в рабочую камеру осуществляется отдельными насосами. Подобные установки (типа У579) созданы для сварки кольцевых швов на корпусах реле, для сварки малогабаритных изделий радиоэлектроники.
Наиболее высокую производительность при ЭЛС обеспечивают установки со шлюзовыми системами непрерывного действия. Фирмой Техмета (Франция) разработана установка со шлюзовой системой для сварки полос из двух или трех заготовок: биметаллических полос медь—сталь, медь—серебро для электрических контакторов, магнитный сплав — сталь для реле и др.
Установки для сварки крупногабаритных изделий. Установки этой группы известны трех типов: камерные (с герметизацией всего изделия), с локальным и мобильным вакуумирова-нием (частично герметизирующие изделие). Камерные установки отличаются многообразием конструкций. В зависимости от размеров и конфигурации свариваемого изделия, его массы, особенностей сварочной оснастки вакуумная камера может иметь форму куба (параллелепипеда) с верхней откидной крышкой, цилиндра, шара.
Установка имеет прямоугольную камеру (объем 42 м3). В ней сварка обечаек выполняется при их вертикальном расположении с наращиванием соединяемых элементов. Для снижения деформаций сварка может выполняться одновременно двумя пушками, установленными в диаметрально противоположных точках. Катодная пушка установлена на двухкоординатном манипуляторе с пределами перемещений 2800 мм по вертикали и 1000 мм по горизонтали. Изделие устанавливается на тележку с вертикальным вращателем. При необходимости для перемещения изделия могут быть использованы и другие механизмы. Установка У736 имеет камеру объемом 20 м3 с откидывающейся верхней крышкой, что весьма удобно в эксплуатации. Установки УЛ предназначены для сварки диафрагм и пакетов лопаток мощных паровых турбин. Камеры установок могут поворачиваться на 180°, что обеспечивает сварку в любом пространственном положении. На днищах камеры с двух сторон закреплены приставки, внутри которых размещены сварочные пушки и механизмы их перемещения. Внутри камеры установлена планшайба для вращения свариваемых изделий. Следует отметить также специальные установки УЛ и УЛ680М для сварки в высоком вакууме труб с трубными решетками теплообменных аппаратов. В установке УЛ сваривают изделия длиной 2300 мм, диаметром трубной решетки 130 мм и свариваемой трубки 3…10 мм, а в установке У680М — изделия длиной 3200 мм, диаметром трубной решетки 1200 мм и свариваемой трубки 8… 16 мм.
При ЭЛС протяженных продольных швов в локальном вакууме сварочная камера выполняется в виде плиты с продольным сквозным пазом в ее центральной части или в виде колпака. В первом случае по плите перемещается каретка, на которой смонтирована сварочная пушка. Стык сварочной камеры с изделием герметизируется уплотнителями. Обратная сторона стыка герметизируется дополнительной камерой, а торцовые части стыка — выводными планками. Продольный паз сварочной камеры, вдоль которого перемещается каретка со сварочным блоком, герметизируется стальной лентой или трапецеидальным резиновым уплотнением. Во втором случае сварочный блок с пушкой и механизмы его перемещения расположены под накидным колпаком.
В описанных установках длина свариваемого стыка обычно превышает длину камеры. Сварка выполняется по участкам с перерывами сварочного процесса при переносе камеры на новый участок, что связано с рядом трудностей. Поэтому сварка протяженных стыков по участкам с перестановкой сварочной камеры распространения не получила. Более перспективны в этом плане сварочные тракторы (мобильное вакуумирование) со скользящим по изделию уплотнителем. Они выполняются обычно в виде каретки, на которой размещаются сварочная пушка, система откачки, механизм подачи присадочного материала и др. Сварочная пушка снабжена дифференциальной откачкой и клапаном, отделяющим область катодного узла от сварочной камеры. Каретка со сварочной головкой может быть как самоходной, так и- неподвижной. В последнем случае сварочные перемещения сообщаются изделию. И в том, и в другом случае каретка сварочного блока в месте контакта с изделием снабжается уплотнительным блоком, который может иметь различные конструкции.
В лабораторном образце трактора (Германия) использована мощная система ступенчатой откачки. Для герметизации обратной стороны стыка используется подвижная контркамера, которая перемещается синхронно со сварочной. Начало и конец шва выполняются с помощью выводных планок. Уплотнительный узел сварочной камеры и контркамеры можно выполнить для сварки как плоских, так и цилиндрических изделий.
Основным недостатком современных сварочных тракторов является трудность герметизации стыка поверхности изделия с уплотнителями трактора вследствие отклонений от заданной формы поверхности изделия, наличия местных дефектов и загрязнений. Форма и температура валика сварочного шва оказывают существенное влияние на герметичность сварочной камеры.
