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.
В установках для сварки световым лучом в качестве источника излучения обычно используют шаровые дуговые ксеноновые лампы сверхвысокого давления двух типов: ДКСШ — с воздушным охлаждением и ДКСШРБ — с комбинированным воздушно-водным охлаждением мощностью 0,12… 10 кВт. Ксеноновые лампы работают от источника постоянного тока с напряжением холостого хода не ниже 70 В и падающей вольт-амперной характеристикой. Хорошо себя зарекомендовали сварочные выпрямители серии ВСВУ. Дуговой разряд в лампах возбуждаегся с помощью специального высоковольтного высокочастотного блока поджига (осциллятора) Установка состоит из стеклянного длиннофокусного отражателя с соотношением фокусных расстояний (осевым увеличением) диаметром 600 мм с углом охвата 180° и двухлинзового кварцевого объектива. Установка рассчитана на применение лампы типа ДКСШРБ мощностью 3,5… 10 кВт. Максимальная плотность лучистого потока в центре сфокусированного пятна нагрева
(2200 Вт/см2) достигается при использовании лампы типа ДКСШРБ мощностью 10 кВт и системы с кварцевым объективом. Установка оснащена следующими технологическими узлами: станиной, на которой установлен рабочий стол с электроприводом, столом, предназначенным для размещения на нем приспособлений и перемещения деталей под световым лучом при выполнении сварных швов; оптическим устройством для наблюдения за процессом нагрева; пневматическим затвором, служащим для перекрытия лучистого потока; блоком питания ксеноновых ламп и пульта управления. На установке успешно выполняют сварку тонколистовых конструкционных металлов толщиной 0,1 …2,0 мм.
Установка содержит семь моноэллипсоидных систем, в которых в качестве концентратора излучения использован стеклянный отражатель диаметром 156 мм с углом охвата 180° и соотношением фокусных расстояний. В качестве источников излучения применены дуговые ксеноновые лампы типа ДКСШ мощностью 1 кВт. В установке за счет перемещения отдельных оптических систем в зависимости от требуемой технологической задачи можно создавать точечный, кольцевой и полосовой источники теплоты в рабочей плоскости установки. Максимальная плотность лучистого потока в рабочем пятне нагрева при фокусировке всех систем в одну точку составляет 1000 Вт/см2. С использованием этой установки успешно могут быть решены задачи по сварке тонколистовых конструкций толщиной менее 0,2 мм.
Промышленная установка создана для сварки листовых конструкций с толщиной листа менее 2 мм. В установке использован стеклянный алюминированный эллипсоидный отражатель диаметром 358 мм с углом охвата 200°, осевым увеличением М0 = 4, специализированная ксеноновая лампа типа ДКСШРБ мощностью 4 кВт. Такая система обеспечивает получение максимальной плотности лучистого потока 2500 Вт/см2.
В промышленности находят применение модули лучистого нагрева (МЛН) различного технического назначения. Такие модули могут устанавливаться на разнообразные технологические стапели или станки в зависимости от конкретной технологической задачи. В модулях применен новый более прогрессивный металлический отражатель, который позволяет существенно повысить плотность лучистого потока в пятне нагрева, а следовательно, производительность сварочных установок. Так, система с отражателем, изготовленным из алюминиевого сплава Д16 диаметром 300 мм, углом охвата 238° с осевым увеличением позволяет достигнуть максимальной плотности лучистого потока в центре пятна
нагрева 6000 Вт/см2 при использовании лампы типа ДКСШРБ мощностью 5 кВт, работающей в номинальном режиме.
Дальнейшее повышение эффективности процесса нагрева световым лучом может быть достигнуто за счет увеличения энергетической яркости ламп путем перехода от непрерывного к импульсному режиму их питания. Установлено, что при кратковременной перегрузке лампы по силе тока в 1,5…2,0 раза плотность лучистого потока в пятне нагрева может быть повышена в 2,0…2,5 раза. При этом лампа работает достаточно стабильно, без заметного сокращения срока службы.
В последние годы в промышленности был разработан более прогрессивный МЛН с короткофокусным металлическим отражателем, имеющий более высокие энергетические характеристики. Он состоит из металлического водоохлаждаемого отражателя, дуговой ксено-новой лампы серии ДКСШРБ, узла юстировки, затвора — регулятора лучистого потока, системы визуального наблюдения за процессом сварки, аппаратуры измерения и контроля параметра светового луча, пульта управления. Электрическое питание ксеноновых ламп мощностью 3,0… 10 кВт осуществляется от сварочного тиристорного выпрямителя типа ВСВУ-630, обеспечивающего непрерывный и импульсный режим работы. Выходные параметры пучка лучистой энергии Е сварочных установок представлены с ксеноновой лампой ДКСШР.
Для термитной сварки рельсов, стержневой арматуры железобетонных конструкций, наплавочных, ремонтно-восстановительных и других работ на базе термитных процессов не требуется специального оборудования. Для выполнения этих работ необходимы термитные смеси соответствующих составов, огнеупорные формы и средства для воспламенения смесей в начале термитных процессов.
Составы термитных смесей и огнеупорных форм, чертежи огнеупорных форм и технологии термитной сварки стержневой арматуры железобетонных конструкций разработаны Институтом электросварки им. Е. О. Патона.
Термитную сварку одно- и многожильных проводов и кабелей электросетей с площадью
поперечного сечения до 800 мм2 производят с помощью патронов марки ПА, а голых алюминиевых и сталеалюминиевых проводов поперечным сечением до 600 мм2 — патронами марки ПАС и специальными клещами для осадки . Многопроволочные медные провода электросетей площадью сечения от 25 до 150 мм можно соединять также с помощью термитных патронов и клещей для осадки. Марка патронов для термитной сварки алюминиевых
Соединение сваркопайкой разнородных материалов (меди со сталью, титана с медью, алюминия с медью, ниобия со сталью и др.) осуществляют с помощью оборудования общего назначения для сварки.При дуговой сваркопайке используют, например, автоматы для дуговой сварки неплавя-щимся электродом в среде защитных газов АРК и других с соответствующими источниками питания. Сваркопайка неплавящимся электродом может осуществляться на установках ПРСМ-ЗМ, на переменном токе — на установках типов УДАР и УДГ, а в среде аргона — на нестандартной установке для соединения вольфрамового узла с массивным медным охладителем.
В вакуумной камере нестандартной установки размещен поворотный стол, на котором устанавливают изделия . После откачки воздуха из камеры вакуумным насосом в нее с помощью натекателя напускают аргон из баллона. Стол вращается до тех пор, пока одно из изделий не займет фиксируемого положения для сварки. После этого включается сварочный ток, головка вращается вокруг детали, оплавляя медь, которая заполняет специальный паз в вольфраме, хорошо смачивая последний. Цикл повторяется и производится сваркопайка следующего изделия. Одновременно в камеру загружается изделий. Управление процессом осуществляется с пульта 10.
Для сваркопайки может быть использован широкий ряд установок для электронно-лучевой сварки, например, А 306.13. Применение электронно-лучевой технологии благодаря вакуумной защите и точному дозированию количества теплоты часто предпочтительнее других методов, особенно при наличии в соединяемой паре высокоактивного металла.
