Обзор перспектив применения лазерной сварки в космосе взамен электронно-лучевой | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 28 декабря, печатный экземпляр отправим 1 января.

Опубликовать статью в журнале

Библиографическое описание:

Кравцов, Н. А. Обзор перспектив применения лазерной сварки в космосе взамен электронно-лучевой / Н. А. Кравцов, Е. В. Морозов, Е. В. Прокопьев, И. А. Урянский. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2024. — № 28 (527). — С. 14-17. — URL: https://moluch.ru/archive/527/116530/ (дата обращения: 16.12.2024).



В статье проводится обзор перспектив применения технологии лазерной сварки (ЛС) в условиях космического пространства. Рассматривается электронно-лучевая сварка (ЭЛС) на Земле и в космическом пространстве. Подробно изучаются характеристики и результаты ряда опытов ЭЛС, проводимых космонавтами Светланой Савицкой и Владимиром Джанибековым в 1984 году с помощью универсального ручного инструмента (УРИ). Рассматривается ЛС (на Земле и в вакууме): её характеристики. Сравнения (ЭЛС) и (ЛС) в условиях Земли. Проводится попытка теоретического сравнения (ЛС) и (ЭЛС) в условиях космоса.

Ключевые слова: лазерная сварка, электронно-лучевая сварка, перспектива лазерной сварки в космосе.

Введение. В настоящее время существует проблема транспортировки крупногабаритных цельных конструкций с Земли на орбиту. Эта проблема требует больших ресурсов и сталкивается с техническими трудностями. Решением этой проблемы является сварка в космическом пространстве, поскольку этот метод позволяет доставлять отдельные детали и сваривать их на орбите. Метод сварки в космосе позволит повысить эффективность строительства и уменьшить затраты. Существует большое количество видов сварки. Однако наиболее подходящими для условий космического пространства являются следующие виды сварки: лазерная и электронно-лучевая. При этом лазерная сварка является более предпочтительной, чем электронно-лучевая для работы в космосе. Этот вид сварки в космосе является актуальным и в будущем позволит строить конструкции на орбите.

Основная часть

ЭЛС — процесс, предполагающий соединение при помощи излучения электронов. Электронное излучение — это не что иное, как бомбардировка поверхности материала пучком электронов, сгенерированных электронной пушкой. Летящие электроны, сфокусированные в плотный пучок, ударяются на большой скорости о малую площадку на изделии. На данном этапе кинетическая энергия электронов вследствие их торможения превращается в теплоту, нагревая материал до высоких температур.

В конце 60-х годов 20-го века проводились эксперименты по сварке и резке в условиях космоса. К тому времени сложилось четкое представление, что для сборки космических станций и ремонтных работ внутри и снаружи орбитальных кораблей может быть использовано электронно-лучевое сварочное оборудование. В то время ЭЛС рассматривался как ведущий метод сварки в открытом космосе. Электронно-лучевая сварочная аппаратура, предназначенная для работы в космическом пространстве, должна обладать рядом технических решений в связи с многочисленными требованиями. Все эти требования были учтены при разработке установки «Вулкан», испытания которого прошли на космическом корабле «Союз-6» в 1969 г. После проведения ряда испытаний были получены результаты, которые подтвердили принципиальную возможность осуществления в космическом пространстве монтажных и восстановительных работ. Это привело к созданию в ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР соответствующего универсального ручного инструмента на базе электронно-лучевой сварочной аппаратуры. В рамках экспедиции к орбитальной станции «Салют-7», летчиками-космонавтами СССР С. Е. Савицкой и В. А. Джанибековым успешно проведен эксперимент в открытом космосе по выполнению технологических операций — сварке, резке, и пайке металлов. Впоследствии, при детальном разборе полученных результатов институтом электросварки им. Е. О. Патона был выпущен сборник научных трудов «Проблемы космической технологии металлов».

В сборнике приведен анализ структуры швов, произведенных в условиях космоса, а также сравнение этих швов со швами, полученными в земных условиях.

Исследования проводились по направлениям:

1) Макроструктура и микроструктура

2) Фазовый состав

3) Газонасыщенность металла

Способы исследования:

1) Металлографический

2) Электронно-микроскопический

3) Микрорентгеноспектральный анализ

4) Механические испытания (на статический разрыв; на временное сопротивление разрыву)

5) Метод горячей экстракции

Факторы исследования:

1) Микрогравитация и невесомость

2) Высокий вакуум

3) Ограниченный теплоотвод

4) Повышенная радиация

5) Особый температурный режим

Опыт: сварка технического титана в космосе и на Земле

Вывод: в строении микроструктуры шва имеется имеется ряд отличий α-фазы. Эти морфологические особенности структуры металла шва близки по строению к структуре литого металла, охлаждавшегося с очень высокими скоростями в условиях сильного напряженного состояния.

Микротвердость в космосе:

Опыт: сварка образцов из нержавеющей стали Х18Н10Т

Вывод: структура металла шва из этой стали, полученного на Земле, несколько грубее, количество α-фазы в нем больше, чем в шве, выполненном в условиях космоса. Также отличия наблюдаются в дисперсности α-фазы и количестве дислокаций. α-фаза в космических образцах более дисперсная, а плотность дислокаций более высокая. По-видимому, это следует отнести за счет большой скорости охлаждения (кристаллизации) металла шва и возникающих в этом случае термическом напряжении

Общий вывод: результаты материаловедческих исследований показывают, что свойства металла сварных швов (титан и сталь), сваренных вручную электронным лучом в космосе и в наземных барокамерах, достаточно близки. Имеющиеся незначительные отличия в микроструктуре, в распределении примесей, вторичных фаз и в газовом составе можно объяснить несоответствием внешних условий, главным образом остаточной атмосферы и теплоотвода. Исследование, на содержание кислорода и водорода в сварном шве в условиях Земли и космоса, показало, что количество кислорода незначительно увеличивается, а количество водорода уменьшается в несколько раз, как на Земле, так и в космосе.

Название опыта : влияние гравитационных сил, растворенного водорода и исходной температуры на свойства и плотность соединений при электронно-лучевой сварке легких конструкционных сплавов

Опыт: экспериментальные работы проводились на летающей лаборатории Ту-104А и в наземных условиях. Была проведена сварка АД00, АМг6, АМг3, ИМВ-2.

Вывод: из анализа результатов исследований видно, что химический состав металла швов исследуемых сплавов при различных технологических вариантах сварки практически не зависит от действующих в процессе сварки гравитационных сил, исходных температур и газ содержания металла

Лазерная сварка — процесс, предполагающий соединение при помощи лазерного излучения. Лазерное излучение — это не что иное, как бомбардировка поверхности материала пучком фотонов, сгенерированных квантовым лазерным генератором. На поверхности часть луча отражается, а часть проходит внутрь, что приводит к нагреву и плавлению материала, формированию сварного шва.

Ввиду многообразия способов возбуждения и исполнения лазерного излучения, спектр областей применения так же широк, чего нельзя сказать про остальные виды и способы сварки

Виды лазеров, используемые для сварки:

По типу возбуждения лазера:

1) Твердотельные (импульсно-периодического и непрерывного действия) [η≈35 %]

2) Газовые (импульсно-периодического и непрерывного действия) [η≈35 %]

3) Полупроводниковые/волоконные (импульсно-периодического и непрерывного действия) [η≈70 %]

По глубине проплавления:

1) Сварка глубокого проплавления (δ>1 мм)

2) Сварка малых толщин (δ<1мм)

Технологические признаки

Безынерционность луча, высокая концентрация энергии и малое время воздействия позволяет осуществлять сварку в различных пространственных положениях практически без изменения геометрии проплавления, что существенно расширяет технологические возможности этого метода.

Экономические признаки

Лазерная сварка с точки зрения ее классификации имеет несколько существенных экономических признаков, характеризующих эффективность рассматриваемых методов.

1) Скорость сварки

сварка с непрерывным излучением обладает высокой скоростью, что позволяет в 10–15 раз увеличить производительность по сравнению с традиционными методами сварки плавлением. В результате высоких скоростей снижается погонная мощность (отношение мощности к скорости)

2) Экономия материала

отсутствие необходимости разделки кромок и использования присадочной проволоки

3) Локальность обработки

Концентрация луча в пятно диаметром до 0.1 мм. Следовательно, объем сварочной ванны в несколько раз меньше. Снижение объема расплава и получения швов с большим отношением глубины проплавления к ширине шва дает возможность уменьшения деформации деталей до 10 раз.

Преимущества лазерной сварки перед электронно-лучевой:

1) Малый объем расплавленного металла и специфическая форма шва также улучшают в целом ряде случаев условия кристаллизации, что повышает свойства сварных швов

2) Острая фокусировка луча и возможность передачи его на значительное расстояние позволяют осуществлять сварку в труднодоступных местах

3) Использование лазерного луча полностью исключает появление дефекта отклонения, как у электронного луча, от стыка соединяемых деталей в результате остаточной намагниченности ферромагнитных сталей, так как поток фотонов не взаимодействует с магнитным полем

4) Сварка разнородных материалов и неметаллов

5) Возможность заглубления фокуса лазерного луча

6) Возможность сварки высокоточных конструкций

7) Сварка без правок и механической обработки

Из статьи «Лазерная сварка в вакууме — перспективная сварочная технология изготовления изделий ответственного назначения» Беленький В. Я.… становится понятно, что эксперименты по сварке в условиях вакуума уже проводились.

Цитата:

«…лазерный луч значительно меньше взаимодействует с атомами остаточных газов и паров металла из зоны обработки, что позволяет вести процесс сварки в низком вакууме. При ведении сварочного процесса лазерным лучом в вакууме глубинка проплавления может быть увеличена в несколько раз по сравнению с лазерной сваркой в атмосфере…» Цитата окончена.

По результатам статьи можно судить, что лазерная сварка в вакууме возможна и не уступает другим видам сварки по качеству сварного шва, в том числе и электронно-лучевой, а, значит, вполне способна заменить электронно-лучевую сварку при работе в условиях космоса.

Все вышеперечисленные особенности и преимущества лазерной сварки позволяют предположить, что лазерная сварка является перспективным направлением при использовании в космическом пространстве и других объектах космоса. Предположительно, для космоса лазерное оборудование может быть использовано в качестве приборов следующего назначения: лазерная сварка, очистка, наплавление. В качестве сварки прибор может применяться космонавтами на борту будущей Российской Орбитальной Станции (РОС) или при создании ферменных, тонколистовых и прочих конструкций на Луне или Марсе. В качестве очистки прибор может быть использован также на борту РОСа для очистки внутренних панелей станции от загрязняющих налетов, а также чистки скафандров и солнечных батарей.

Литература:

  1. Проблемы космической технологии металлов ИЭС им. Е. О. Патона
  2. Лазерная сварка металлов А. Г. Григорьянц И. Н. Шиганов
  3. Электронно-лучевая сварка ИЭС им. Е. О. Патона
  4. Лазерная сварка в вакууме — перспективная сварочная технология изготовления изделий ответственного назначения Беленький В. Я., Трушников Д. Н., Федосеева Е. М., Летягин И. Ю., Младенов Г., Колева Е.
Основные термины (генерируются автоматически): лазерная сварка, космическое пространство, условие космоса, вид сварки, космос, сварка, лазерное излучение, непрерывное действие, сварной шов, электронно-лучевая сварка.


Ключевые слова

лазерная сварка, электронно-лучевая сварка, перспектива лазерной сварки в космосе

Похожие статьи

Применение беспилотных летательных аппаратов для корректировки карт и планов

Рассматривается возможность применения беспилотных летательных аппаратов в целях корректировки топографических карт и планов. Выполнено сравнение беспилотных летательных аппаратов, аэрофотосъёмки с самолета и традиционных методов сьемки. Выявлены осо...

Использование беспилотных летательных аппаратов и методов машинного обучения для технического обследования кровельных покрытий зданий

В статье обоснована целесообразность применения технологий беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и методов машинного обучения для технического обследования кровельных покрытий промышленных и гражданских зданий.

Разработка автоматизированного стенда паспортизации пьезоэлектрических преобразователей

Данная статья посвящена перспективному направлению использования роботов манипуляторов для автоматизации процесса паспортизации ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей. Основное внимание уделено возможности использования робота-манипулятор...

Разработка и анализ системы наведения группировки малых космических аппаратов для дистанционного зондирования Земли

Целью данной статьи является разработка системы наведения группировки малых космических аппаратов (МКА) и космических систем на их основе является в настоящее время одной из ведущих тенденций развития космических технологий.

Новые возможности САПР за счет применения решений в области имитации естественного освещения

В статье рассмотрены возможности расширения традиционных подходов к проектированию систем искусственного освещения с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР) за счет применения некоторых разработок, относящихся к концепции имитации ес...

Прямое лазерное выращивание изделий из порошковых материалов: принцип, оборудование и материалы

В статье изложен принцип процесса прямого лазерного выращивания, приводятся виды комплексов для прямого лазерного выращивания и материалов, с помощью которых он реализуется, перечислены основные составляющие комплекса для реализации данного процесса ...

Автономная система ориентирования беспилотного летательного аппарата: состав и схема функционирования в формате 3D

Для решения задач мониторинга территорий и объектов, как в военной, так и в гражданской сфере применяются сверхлегкие беспилотные летательные аппараты. Главным критерием гарантии выполнения поставленной задачи является точность его позиционирования в...

Экономическая целесообразность использования программы математической калибровки по эффективности LabSOCS

В работе рассмотрены вопросы выбора методики определения эффективности отклика детектора спектрометрической системы на ионизирующее излучение. Приведены преимущества математического расчёта эффективности энергетического и пространственного отклика де...

Применение современных технологий 3D-печати в медицине

В статье изложены основные направления использования 3D-технологий в лечении и диагностике различных заболеваний, обозначены преимущества и недостатки данных методов. Проведён анализ случаев их применения и сделаны соответствующие выводы.

Использование гамма-излучения при лучевой терапии

В статье рассмотрены способы использования гамма-излучения при проведении лучевой терапии. Раскрыто определение лучевой терапии. Определена эффективность данного метода в современности.

Похожие статьи

Применение беспилотных летательных аппаратов для корректировки карт и планов

Рассматривается возможность применения беспилотных летательных аппаратов в целях корректировки топографических карт и планов. Выполнено сравнение беспилотных летательных аппаратов, аэрофотосъёмки с самолета и традиционных методов сьемки. Выявлены осо...

Использование беспилотных летательных аппаратов и методов машинного обучения для технического обследования кровельных покрытий зданий

В статье обоснована целесообразность применения технологий беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и методов машинного обучения для технического обследования кровельных покрытий промышленных и гражданских зданий.

Разработка автоматизированного стенда паспортизации пьезоэлектрических преобразователей

Данная статья посвящена перспективному направлению использования роботов манипуляторов для автоматизации процесса паспортизации ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей. Основное внимание уделено возможности использования робота-манипулятор...

Разработка и анализ системы наведения группировки малых космических аппаратов для дистанционного зондирования Земли

Целью данной статьи является разработка системы наведения группировки малых космических аппаратов (МКА) и космических систем на их основе является в настоящее время одной из ведущих тенденций развития космических технологий.

Новые возможности САПР за счет применения решений в области имитации естественного освещения

В статье рассмотрены возможности расширения традиционных подходов к проектированию систем искусственного освещения с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР) за счет применения некоторых разработок, относящихся к концепции имитации ес...

Прямое лазерное выращивание изделий из порошковых материалов: принцип, оборудование и материалы

В статье изложен принцип процесса прямого лазерного выращивания, приводятся виды комплексов для прямого лазерного выращивания и материалов, с помощью которых он реализуется, перечислены основные составляющие комплекса для реализации данного процесса ...

Автономная система ориентирования беспилотного летательного аппарата: состав и схема функционирования в формате 3D

Для решения задач мониторинга территорий и объектов, как в военной, так и в гражданской сфере применяются сверхлегкие беспилотные летательные аппараты. Главным критерием гарантии выполнения поставленной задачи является точность его позиционирования в...

Экономическая целесообразность использования программы математической калибровки по эффективности LabSOCS

В работе рассмотрены вопросы выбора методики определения эффективности отклика детектора спектрометрической системы на ионизирующее излучение. Приведены преимущества математического расчёта эффективности энергетического и пространственного отклика де...

Применение современных технологий 3D-печати в медицине

В статье изложены основные направления использования 3D-технологий в лечении и диагностике различных заболеваний, обозначены преимущества и недостатки данных методов. Проведён анализ случаев их применения и сделаны соответствующие выводы.

Использование гамма-излучения при лучевой терапии

В статье рассмотрены способы использования гамма-излучения при проведении лучевой терапии. Раскрыто определение лучевой терапии. Определена эффективность данного метода в современности.

Задать вопрос