Номинация
Эксперимент в космосе
СВАРКА. СВАРКА В КОСМОСЕ.
Агашин Александр
Средняя общеобразовательная школа №6 г.Шумерля, 10 класс
Научный руководитель:
Иванова Любовь Руслановна,
учитель физики
СОШ № 6 г. Шумерля
г. Чебоксары, 2010
Основополагающий вопрос: какие виды сварки наиболее эффективны в космосе?
Цели и задачи: ознакомиться с принципами сварки на земле, лично освоить технологию сварки, изучить способы и оборудование для сварки в космосе, сделать собственные выводы.
Актуальность: космос – самая активно развивающаяся часть науки и технологий, двадцать пять лет назад впервые в истории именно советские космонавты провели электросварку в открытом космосе. А запланированный на 30-ые годы XXI века полет человека на Марс будет значительно отличаться от полетов сравнительно небольших автоматических аппаратов. Общая масса всего пилотируемого комплекса становится значительно больше, чем могут вывести на орбиту даже самые мощные ракеты-носители. Поэтому создавать гигантскую ракету для выведения с Земли всего межпланетного комплекса не имеет смысла. Проще отправлять его на околоземную орбиту по частям, из этих частей и собирать там комплекс, используя уже отработанные технологии сборки на орбите. Среди этих технологий ведущее место займет сварка. Сварка выручит и при ремонте вышедших из строя отдельных систем.
Оглавление
Оглавление 3
Сварка в космосе 6
Практическая часть 8
Заключение 9
Библиографический список 10
Приложения 11
Введение
В условиях научно-технического прогресса особенно важно развитие определяющих его областей науки, техники и производства. Практически нет ни одной отрасли машиностроения, приборостроения и строительства, в которой не применялись бы сварка и резка металлов. С помощью сварки получают неразъемные соединения почти всех металлов и сплавов различной толщины – от сотых долей миллиметра до нескольких метров. В 1802 г. русский академик В.В. Петров впервые в мире открыл и описал явление электрической дуги, а также указал на возможность использования ее теплоты для расплавления металлов. В 1882 г. русский академик Н.Н. Бенардос изобрел способ дуговой сварки с применением угольного электрода. В 1888 г. русский инженер-металлург Н.Г. Славянов разработал металлургические основы дуговой сварки, создал первый автоматический регулятор длины сварочной дуги и изготовил первый в мире сварочный генератор. По уровню развития сварочного производства Россия является ведущей страной в мире. В 1969 г. на борту космического корабля «Союз-6» Валерий
Кубасов с помощью установки «Вулкан» провел автоматическую электронно- лучевую и дуговую сварку и резку металлов в космосе; в 1984 г. на борту космического корабля «Салют-7» Светланой Савицкой и Владимиром Джанибековым выполнены ручная сварка, резка, пайка и напыление металлов в открытом космосе.
Основная часть
Сварка
Сваркой называется процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их нагревании или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого (ГОСТ 2601-84). Различают два вида сварки: сварку плавлением и сварку давлением.
Сущность сварки плавлением состоит в том, что металл по кромкам свариваемых частей оплавляется под действием теплоты источника нагрева. Сущность сварки давлением состоит в пластическом деформировании металла по кромкам свариваемых частей путем их сжатия под нагрузкой при температуре ниже температуры плавления. К сварке плавлением относится газовая сварка, при которой для нагрева используется тепло пламени смеси газов, сжигаемой с помощью горелки (ГОСТ 2601-84). Способ газовой сварки был разработан в конце прошлого столетия, когда началось промышленное производство кислорода, водорода и ацетилена. Газовая сварка применяется во многих отраслях промышленности при изготовлении и ремонте изделий из тонколистовой стали, сварке изделий из алюминия и его сплавов, меди, латуни и других цветных металлов и их сплавов. Разновидностью газопламенной обработки является газотермическая резка, которая широко применяется при выполнении заготовительных операций при раскрое металла. Контактная сварка занимает ведущее место среди механизированных способов сварки. Особенность контактной сварки – высокая скорость нагрева и получение сварного шва, это создает условия применения высокопроизводительных поточных и автоматических линий сборки узлов автомобилей, отопительных радиаторов, элементов приборов и радиосистем. Сварку плавлением в зависимости от различных способов, характера источников нагрева и расплавления свариваемых кромок деталей можно условно разделить на следующие основные виды:
- электрическая дуговая, где источником тепла является электрическая дуга;
- электрическая сварка, где источником теплоты является расплавленный шлак, через который протекает электрический ток;
- электронно-лучевая, при которой нагрев и расплавление металла производится потоком электронов;
- лазерная, при которой нагрев и расплавление металла происходит сфокусированным мощным лучом микрочастиц – фотонов;
- газовая, при которой нагрев и расплавление металла происходит за счет тепла пламени газовой горелки.
В начале 60-х гг. прошлого века по инициативе главного конструктора ракетно-космических систем академика С.П. Королева была поставлена принципиально новая задача – исследовать возможность выполнения сварки непосредственно в космосе. Научным руководителем всего комплекса исследований являлся академик Б.Е. Патон. При проведении исследований предполагалось, что сварка в космосе будет использоваться для выполнения следующих работ:
ремонт космических кораблей, орбитальных станций и различных металлоконструкций, находящихся в открытом космосе, на Луне и других планетах;
сборка и монтаж металлоконструкций, находящихся в орбитальном полете или расположенных на поверхности Луны и планет.
Сварка в космосе
Условия в космосе значительно отличаются от земных. Глубокий вакуум, невесомость, перепад температур, излучения, электрические и магнитные поля Земли и других планет оказывают существенное влияние на характер физико-химических процессов, протекающих при сварке, и на условия работы сварщика. В связи с этим необходимо было разработать технику и технологию выполнения сварочных работ, учитывающие перечисленные выше особенности. На Земле трудно воссоздать условия межпланетной среды. Поэтому предварительные исследования выполнялись по этапам, на каждом из которых имитировались отдельные особенности космического пространства (вакуум, невесомость и др.) (рис. 1.) Прежде всего была поставлена задача выбора наиболее перспективных для условий космоса видов сварки. В качестве критериев были выбраны следующие характеристики видов сварки:
- универсальность;
- возможность выполнения резки материалов;
- высокая надежность;
- возможность автоматизации;
- работоспособность в вакууме и невесомости.
Проведенный анализ показал, что наиболее перспективными для применения в космосе являются электронно-лучевая сварка, сварка сжатой дугой низкого давления и плавящимся электродом, а также контактная точечная сварка. Эксперименты проводились в 1965 г. в летающей лаборатории ТУ-104, позволяющей кратковременно (до 25–30 с) воспроизводить состояние невесомости. Электронно-лучевая сварка и резка разных металлов производились при постоянной мощности пучка 1кВт, силе тока луча 70 мА и скорости сварки (резки) 30 м/ч. При визуальном наблюдении за ходом сварки и резки в условиях невесомости и перегрузок не было установлено внешних отличий по сравнению с процессами в земных условиях. На основании проведенных опытов были сделаны обоснованные выводы о том, что в условиях невесомости можно получать качественные сварные соединения различных металлов и сплавов. Процесс электронно-лучевой резки также протекает без заметных изменений по сравнению с обычными земными условиями. На основании проведенных опытов по сварке и резке сжатой дугой низкого давления было установлено следующее. В условиях динамической невесомости можно получать качественные стыковые, отбортованные и нахлесточные сварные соединения. Колебания режимов сварки в пределах 20 % практически не сказываются на качестве сварного соединения. При сварке сжатой дугой металла малых толщин размеры сварочной ванны малы и формирование швов практически не зависит от сил гравитации, а определяется силами поверхностного натяжения. Для условий космоса может быть перспективным способ микроплазменной сварки. Он дает высокую концентрацию энергии, соизмеримую с электронным лучом, и соответственно пригоден для сварки и резки тонких деталей. Клещи для точечной сварки были выполнены со встроенным трансформатором 1 кВт и массой 1,5 кг. Космические условия не оказали влияния на процесс точечной сварки. В этом случае невесомость влияет лишь на условия работы человека. На базе проведенных исследований была разработана и изготовлена специальная сварочная установка «Вулкан» (рис. 2.) для проверки названных выше видов сварки в условиях космоса. В соответствии с общей программой космических исследований первый в мире эксперимент по сварке в космосе был выполнен 16 октября 1969 года на космическом корабле «Союз-6» летчиками-космонавтами Г.С. Шониным и В.Н. Кубасовым. Используя установку «Вулкан», космонавты запустили автоматические процессы сварки электронным лучом, сжатой дугой низкого давления и плавящимся электродом. В условиях орбитального полета с помощью острофокусного электронного луча были выполнены:
- автоматическая сварка тонколистовой нержавеющей стали и титанового сплава;
- разделительная резка сплавов алюминия и титана;
- исследования поведения ванны расплавленного металла большего объема, чем в условиях летающей лаборатории.
Было показано, что процессы плавления, сварки и резки электронным лучом на орбите протекают стабильно, обеспечивая необходимые условия для нормального формирования сварных соединений и поверхностей резов. Основные параметры режима сварки плавящимся электродом, а также структура шва и зоны термического влияния, полученные на корабле «Союз-6», оставались практически такими же, как и в летающей лаборатории. Форма и качество швов, полученных этим способом на нержавеющих сталях класса 18–8 и титановых сплавах, были вполне удовлетворительными. Сварка сжатой дугой низкого давления на установке «Вулкан» не дала ожидаемых результатов. Эксперимент по сварке в космосе открыл новую страницу в освоении Вселенной. Впервые в мировой практике в космическом пространстве осуществлен технологический процесс, связанный с нагревом и плавлением металла. В целом к началу 70-х гг. ХХ в. вопрос о принципиальной возможности автоматической сварки и резки в космосе был решен положительно. В то же время существовала номенклатура работ, в том числе практически все виды ремонта, которые не могли выполняться с использованием автоматических процессов. Поэтому на следующем этапе исследований была поставлена задача по разработке аппаратуры и технологии ручной сварки и резки в космосе. Еще в период испытаний установки «Вулкан» специалисты Института электросварки им. Е.О. Патона задумывались над созданием компактного, ранцевого универсального инструмента с автономным источником питания, который мог бы позволить космонавту проводить работы, связанные с ремонтом или монтажом, на любом участке поверхности космического объекта. Необходимые для этих целей операции – резка, сварка, пайка и нанесение покрытий, а средство воздействия на материалы – электронный луч. После многочисленных исследований на земле, в барокамере, в летающей лаборатории был разработан универсальный ручной инструмент. Все узлы инструмента находятся в контейнере размером 400х450х500 мм, сваренном из трубчатых элементов, что обеспечило ему достаточную жесткость при малой массе. В контейнере смонтированы: вторичный источник питания с пультом, кабели, соединяющие источник питания с бортовой розеткой и ручным инструментом, собственно сам рабочий инструмент в специальном ложементе. Контейнер можно носить за плечами или закреплять на внешней поверхности орбитальной станции. К контейнеру крепится планшет с образцами материалов для сварки, резки, пайки и нанесения покрытий. Рабочий инструмент – это моноблок, состоящий из высоковольтного источника питания и двух электронных пушек (рис. 3.). Одна из них (А) предназначена для выполнения технологических операций резки, сварки и пайки, а другая (Б) – предназначена для нанесения покрытий. В этой пушке фокусирующая система заменена тиглем с испаряемым металлом. Масса универсального ручного инструмента немногим более 30 кг, а моноблок, которым оперирует космонавт, чуть более 2,5 кг. Потребляемая мощность – 750 Вт, и ее можно регулировать в зависимости от режима работы и обрабатываемого материала. Универсальный ручной инструмент был включен в состав научной аппаратуры станции «Салют-7». 25 июля 1984 г. космонавты В. Джанибеков и С. Савицкая вышли в открытый космос. В. Джанибеков оборудовал сварочный пост и подготовил инструмент к работе. Рабочее место оператора-сварщика отвечало всем требованиям техники безопасности. С.Савицкая выполнила операции резки, сварки, пайки и нанесения покрытий. Работа в открытом космосе продолжалась три часа (рис. 4.) Результаты проведенных исследований на установке «Вулкан» и с помощью универсального ручного инструмента убедительно показали, что в космосе операции соединения металлов, резки и нанесения покрытий могут быть успешно использованы для любых ремонтных и монтажных работ. В 1986 г. космонавты Л. Кизим и В. Соловьев продолжили эксперименты, соединяя элементы крупногабаритных ферменных конструкций. Одновременно были разработаны методы, технология и аппаратура для сборки и ремонта конструкций в космосе. Логическим завершением этих работ явилось создание в ИЭС им. Е.О. Патона комплекса электронно-лучевой сварочной аппаратуры «Универсал», предназначенной для оснащения больших орбитальных станций типа «Мир-2». «Универсал» имеет в своем составе четыре электронно-лучевых инструмента и ряд вспомогательных приспособлений, позволяющих выполнять в космосе сварочные работы широкого диапазона при профилактическом обслуживании и ремонте различных космических аппаратов. В 1990–1991 гг. комплекс прошел наземные испытания и получил высокую оценку.
Практическая часть
Чтобы на практике ознакомиться и освоить технологический процесс сварки металлов, я отправился на предприятие СУ «Дорожник», на котором работает мой отец Агашин Олег Юрьевич. Прежде чем пройти в цех, мне необходимо было надеть специальную форму и пройти инструктаж у сварщика V разряда Анисимова Михаила Павловича, с которым прежде познакомил меня папа. Следуя в цех за папой, я, глядя на профессиональную, искусную работу мастеров, все больше и больше хотел приступить к своей первой работе. В цехе Михаил Павлович описал мне принцип устройства промышленного сварочного электродугового аппарата и основы работы на нем, включающие в себя сварку и резку. После прохождения инструктажа по правилам техники безопасности и соответствующих инструкций мне удалось взяться за держак с электродом и выполнить первую в своей жизни сварку. После того, как сварщик включил напряжение, подаваемое на сварочный аппарат, я приступил к работе. Фотографии, свидетельствующие эти мгновения представлены в приложении.
Чтобы совместить приобретаемые навыки с практикой, я решил приварить к куску трубы 4 детали треугольной формы из листового металла для изготовления из этой заготовки макета космической ракеты. Я начал свою работу с того, что вырезал эти 4 детали при помощи сварочного аппарата. Процесс резки заключается в том, что между электродом и поверхностью металла создается дуга высокого напряжения, под действием которой металл плавится и. следовательно, по линии разметки металлическая пластина режется. Но пластины получились сначала не такими совершенными, из-за того что в процессе резки капли расплавленного металла застывали быстро на краях пластин. Поэтому я обработал их на электрическом наждаке.
Чтобы макет ракеты был более точным и наглядным, к основной трубе диаметром 76 мм я решил приварить наружную трубу диаметром 86 мм (Рисунок ..,см.приложение), но трудность заключалась в том, что наружная труба была немного больше основной по диаметру, и для того, чтобы было удобнее приварить наружную трубу к внутренней, мне пришлось делать разрез вдоль наружной трубы при помощи электродуговой резки. После того, как я поместил одну трубу внутри другой, нужно было закрепить внешнюю трубу на основной. Для этого я воспользовался сваркой. Этот процесс происходил так: я замыкал электрод на разрезе, тем самым повышая температуру и плавя металл, который, в свою очередь, быстро застывал, образуя сварочный шов. Потом я его обработал его до устранения неровностей. Точно таким же методом приварил распорки к основанию ракеты. На этом моя практическая работа по сварке была окончена, остальные операции по оформлению ракеты я сделал в школе. В ходе этой работы я освоил основы процесса сварки в земных условиях, то есть в условиях действия силы земного притяжения. Я понял, что на самом деле с виду кажущийся простым процесс сварки очень трудоемок и сложен в техническом и физическом исполнении.
Заключение
Сварка – один из самых прогрессивных способов соединения деталей друг с другом. Она преобразила многие технологические процессы производства машин и механизмов, строительство судов и сооружений. Первый космический сварщик летчик-космонавт В. Кубасов сказал – «У сварки большое будущее не только на земле, но и в космосе». От технического уровня применяемых сварочных процессов в значительной степени зависит качество и стоимость выпускаемых машин и приборов, аппаратов и изделий строящихся объектов и другой техники. Сварке подвергаются самые различные материалы: углеродистые и нержавеющие стали, медь, алюминий, никелевые сплавы, бронза, пластмассы и т.д. Толщина свариваемых изделий колеблется от десятков микронов до сотен миллиметров. Для решения этих задач необходимо использовать самые разнообразные способы сварки. Поэтому постоянно происходит совершенствование известных способов сварки и создание новых. Отличительной чертой сварочного процесса является его универсальность. Сварка применяется для изготовления самых различных изделий на земле, в космосе и под водой. Зачастую эти изделия отличаются высокой надежностью. Так, удар струи мощного пламени, вырывающейся из-под ракеты, принимает на себя сварной пламеразделитель массой 650 тонн и высотой 12,7 м. В 1970 году на дне реки Днепр в районе города Днепропетровска на девятиметровой глубине впервые в мировой практике была осуществлена полуавтоматическая сварка стального трубопровода высокого давления. В различных странах мира сварщики накапливают опыт подводных работ и находят решения многочисленных проблем, возникающих при этом. Уже сейчас подводная сварка нашла применение при строительстве мостов, портовых сооружений, буровых платформ, подводных трубопроводов и т. Д. Много научных и технических вопросов возникло перед сварщиками при разработке технологии сварки в космосе. Эксперименты и практические работы в космосе выдвинули не только проблемы, но и приятные и интересные загадки. Например, в космических условиях оказалось гораздо легче, чем в земных условиях сваривать листы небольшой толщины. Прочность сварных швов – то, за что в конце концов борются сварщики и что иногда приводит к катастрофам и жертвам, вдруг увеличилась на 30 – 40 %. Этот эффект еще подлежит изучению. Особый интерес вызвала холодная сварка. Если два кусочка металла соприкоснутся в космосе, они приварятся друг к другу. Это звучит невероятно, но это правда. Если на их поверхности не будет оксидов, так и произойдет. На Земле такого не происходит, потому что в атмосфере на поверхности сразу образуются оксиды. Может показаться, что это большая проблема, но на самом деле это не так. Все инструменты до полета в космос непроизвольно окисляются на Земле. Подобное явление холодной сварки было специально изучено в космосе и было подтверждено опытами.
Нельзя не вспомнить слова Савицкой: «В космосе нет перегрузок, там все легко. Невесомость там». Это значит, что процесс сварки в космосе осуществляется гораздо легче.
Библиографический список
Бернадский В.Н. (в соавторстве с Патоном Б.Е., Дудко Д.А., Загребельным А.А., Лапчинским В.Ф.). О возможности ручной электронно-лучевой сварки в космосе//Космическое материаловедение и технологии.-1977.- «НАУКА» – М. – с. 17-22.
Бондарев А.А., Лапчинский В.Ф. ,Лозовская А.В. и др. Исследование структуры и распределения элементов в сварных соединениях, выполненных электронным лучом на сплавах 1201 и Ам-Г6 в условиях невесомости.- М.: Наука, 1978.
Загребельный А.А., Цыганков О.С. Сварка в космосе // Сварочное производство -№12 2002
Патон Б.Е., Дудко Д.А., Бернадский В.Н. Применение сварки для ремонта сварных космических объектов. – Киев: Наук.думка, 1976.
Патон Б.Е., Кубасов В.Н. Эксперимент по сварке в космосе. // Автомат. Сварка, 1970, №5.
Патон Б.Е., Патон В.Е., Дудко Д.А. и др. Космические исследования на Украине. – Киев: Наук.думка, 1973.
Сварка в СССР. В двух томах. – М.: Наука, 1981
М.П. Шалимов, В.И. Панов. Сварка вчера, сегодня, завтра… Екатеринбург, 2006
Приложения
Рис. 1. Стенд-тренажер для исследования ручной сварки в условиях, имитирующих космические
Рис. 2. Установка «Вулкан»
Рис.3. Электрическая схема рабочего инструмента:
1 – высоковольтный трансформатор; 2 – высоковольтный эмиттер (катод); 3 – анод; 4 –изолятор; 5 – фокусирующий электрод; 6 – сфокусированный электронный луч; 7 – свариваемый образец; 8 – сварной шов; 9 – напыляемый образец; 10 – пары металла; 11 – тугоплавкий тигель; 12 – расплавленный металл; 13 – электронный пучок; 14 – высоковольтный выпрямитель; 15 – переключатель пушек (А и Б)
Рис. 4. Фрагмент сварки в космосе В.Джанибеков. Сварка в космосе
ФОТОГРАФИИ К ПРАКТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ
Заметна некая растерянность и волнение перед началом сварки.
Не Боги горшки обжигают…
Я выполняю первую в своей жизни сварку.
Этапы создания макета космической ракеты  
 
Результат работы налицо:
 
|
