Индукционная пайка волноводов: космический путь идеи до технологии в рамках одного университета

Дата публикации:

Российская авиационная и ракетно-космическая промышленность с их высокими амбициозными требованиями является двигателем успешного развития машиностроения России. Это происходит во всем мире: промышленность требует все более новых и надежных технологических решений. Одним из таких решений для исключения большого числа необязательных соединительных элементов в системах жизнеобеспечения ракет и самолетов, а также борьбы с «лишним весом» летательных аппаратов на этапах их конструирования и модернизации стало паяное соединение.

В технологии пайки трубопроводов, массово используемой на производстве, существует определенная нестабильность. Задачи, обусловленные вопросами обеспечения необходимой точности систем автоматического управления технологическим процессом, до сих пор остаются актуальными.

На специализированных предприятиях пайка трубопроводов из нержавеющей стали производится в защитных средах с использованием радиационной пайки в закрытых контейнерах. Недостатком существующей технологии являются: плохая наблюдаемость процесса пайки, отсутствие возможности контроля технологических параметров процесса, низкая повторяемость процесса, невысокая надежность применяемого оборудования. Данные проблемы можно устранить посредством применения автоматизированной технологии пайки с использованием индукционного нагрева.

Индукционный нагрев основан на использовании трёх известных физических явлений: электромагнитной индукции, открытой Майклом Фарадеем, законе Джоуля-Ленца и поверхностном эффекте, согласно которому происходит уменьшение амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения в глубь проводящей среды.

Применение пирометрического контроля температуры элементов паяного соединения, а также компьютерное программирование режимов пайки позволяет специалисту обеспечить высокую повторяемость и воспроизводимость технологических параметров процесса, что в итоге значительно повышает качество паяного соединения и конечной продукции предприятия.

Основы применения и развития индукционного нагрева в России были заложены еще в 30-40-е годы XX века В. П. Вологдиным и М. Г. Лозинским. За время своего существования технология успела получить широкое применение не только в термообработке, но и во многих других отраслях человеческой деятельности. Сегодня индукционный нагрев активно используют ювелиры для изготовления украшений различной степени сложности. К данной технологии часто прибегают на производстве, когда есть необходимость в монтажной пайке и пайке магистральных трубопроводов.

Вопросам теории и практики индукционного нагрева, расчету и проектированию элементов индукционных установок посвящено множество исследований и проектных работ. 

На базе кафедры информационно-управляющих систем Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева группа ученых совместно со студентами занимается разработкой специальных приспособлений и программ для автоматизации производств, основанных на технологии индукционной пайки волноводов, и дальнейшей успешной реализации космической программы в стране.

О том, как это происходит и чего уже удалось достичь в процессе работы, рассказывает заведующий кафедрой — доктор технических наук, профессор Александр Владимирович Мурыгин.

С какими предприятиями кафедра в настоящее время осуществляет сотрудничество, в каких направлениях работает?

- Что касается электронно-лучевой сварки, на кафедре проделано достаточно много работы. Мы сотрудничали с АО «Красмаш». Участвовали в формировании данного направления на предприятии и научно-производственного комплекса, который там был. В настоящее время мы с завода «Красмаш» фактически ушли, что связано с различными обстоятельствами. Сейчас занимаемся другими направлениями, выполняем заказы для ряда предприятий, например, для «ИСС имени М.Ф. Решетнева».

Одно из направлений, которые Вы сейчас реализуете, — индукционная пайка волновых трактов?

- Да, мы активно работаем в данном направлении. Здесь все дело в том, что космический аппарат, который летает на орбите, обладает мощной системой передачи электромагнитных импульсов: у него есть передатчики, есть антенны, высокие частоты и сверхвысокие частоты. При передаче сигналов от передатчика на антенну возникает ряд проблем, главная из которых — большие потери. Использовать обычные провода в таком случае невозможно, поэтому используют специальные устройства — волноводы. Они представляют собой трубки, как правило, прямоугольного сечения. Эти трубки имеют высокую пространственную ориентацию, располагаются в самых разнообразных местах и идут по всему спутнику. Волна, которая возникает внутри волновода, за счет отражения от внутренних стенок практически не ослабевает. Ее можно ее легко довести до передающей антенны без потерь. Для того чтобы эта волна не затухала, особые требования придаются чистоте внутренней поверхности трубки, иногда ее даже серебрят, иногда покрывают золотом. В общем, в любом случае тщательно обрабатывают внутри. В связи с этим возникают проблемы в процессе изготовления таких конструкций.

Как сегодня можно эффективно решить данные проблемы?

- Мы тщательно изучили этот вопрос, в итоге предложили использовать для соединения таких конструкций индукционный нагрев. Особенность волноводов заключается в очень высокой скорости их нагрева —15 градусов в секунду, в то время как разница между температурой припоя и металлом сама по себе очень небольшая — около 50 градусов. Поэтому крайне важно точно туда попасть, для того чтобы припой расплавился, а металл остался в целостности. Это необходимо, чтобы избежать брака. Последние наши исследования как раз направлены на разработку такого оборудования, которое бы делало все это автоматически, и на разработку самой технологии.

Каких результатов удалось достичь за время работы в этом направлении?

- Нам уже удалось разработать оборудование. Его прототип, кстати, есть в университете — на нем проводятся различные опыты. В основе нашей идеи — бесконтактный съем температуры с помощью пирометра.

Какие отзывы о проделанной работе вы получали?

- Данная работа успела получить достаточно высокую оценку со стороны технологов компании «Информационные спутниковые системы». В настоящее время у них активно работает установка, которую мы недавно изготовили. Нам удалось обучить технологов грамотному обращению с новой для них аппаратурой и совместно отработать на ней весь технологический процесс. В результате этого мы выявили и затронули ряд проблем, связанных с этим методом пайки.

Где еще, помимо космической отрасли, может применяться эта технология?

- Везде, где есть необходимость соединить два элемента методом пайки. Но нужно понимать, что существуют технологии, которые не так критичны к точности. И порой просто нет смысла использовать столь сложный метод.

Какую оценку ваши разработки получили в научном сообществе?

- По этой работе у нас было получено два гранта от Российского фонда фундаментальных исследований. По одному гранту мы разрабатывали оборудование и технологии для пайки волноводов, в настоящее время данная работа фактически завершена. В рамках второго мы сейчас занимаемся разработкой оборудования и технологии пайки нержавеющих труб в среде защитных газов. Проект завершается в этом году, скоро мы будем сдавать отчет о всей проделанной работе.

Как пандемия повлияла на результаты работы на кафедре?

- К сожалению, пандемия не дала нам своевременно провести все необходимые исследования. И настоящий момент мы в спешке пытаемся закончить все к назначенному сроку.

Вы уже сотрудничали с АО «Красмаш». Скажите, сколько времени требуется предприятию, чтобы перейти на новую технологию, будь то индукционная пайка или электронно-лучевая сварка?

- Ну, я думаю, что не меньше двух лет. Смотрите, сейчас «Красмаш» заново переживает историю возрождения электронно-лучевой сварки, у них даже имеется новое оборудование. Но не все так просто, организации, которые когда-то подрядились поставлять им это оборудование, не смогли выполнить свои обязательства в срок и допустили ряд нарушений во время поставки. И в результате сегодня работать там в данных областях не представляется возможным, из-за этого процесс обучения сотрудников стоит на месте. Но, думаю, за пару лет мы со всем справимся.

Что делать, если у меня есть предприятие и я хочу внедрить эту технологию у себя в производстве? Какие шаги мне необходимо предпринять как руководителю?

- В первую очередь стоит отметить, что технологии без оборудования не бывает в любом случае. Поэтому, прежде чем начинать осваивать какую-либо технологию, вам необходимо приобрести дорогостоящее оборудование. Стоимость электронно-лучевого оборудования, например, составляет около 25 млн рублей. Помимо этого, вы должны иметь сотрудников, которые умеют с ним обращаться, обслуживать его. Ведь вакуумное оборудование, которое не работает, быстро выходит из строя. Если речь идет о более простых вещах, таких, как автоматизированная пайка, то там все проще. Уже существуют предприятия в нашем регионе, которые имеют в своем распоряжении необходимые установки.

Как Вы думаете, через какое время технология автоматизированной пайки сможет войти в широкое применение?

- Повсеместно данная технология вряд ли будет применяться. Речь здесь все-таки идет о достаточно крупных предприятиях, которые могут себе позволить купить дорогое оборудование. У них должны быть заказы, которые, как правило, имеют отношение к ракетно-космическому комплексу, так как именно на развитие этой области государство не жалеет средств. Вот эти предприятия могут достаточно быстро этого добиться.

Хотелось бы узнать, принимают ли какое-то участие студенты непосредственно в научной работе на кафедре?

- Конечно, принимают, и в первую очередь тут идет речь о магистрантах. Приходит студент в магистратуру, и на первом же году обучения получает  тему. Это может быть как разработка программного обеспечения для комплекса, так и что-то другое.

Как кафедра организует сотрудничество с научными академическими центрами?

- Академия наук в этом направлении почти ничего не делает, так как к электронно-лучевой сварке академические вузы имеют слабое отношение. Вот раньше в СССР как было? Существовал «Институт электросварки имени Е. О. Патона» в Киеве, в котором варили на весь Союз. Но после того как произошел развал, данное учреждение просто-напросто оказалось в другой стране, Украине. А у нас так и не появилось альтернативы.

Наш вуз мог бы стать такой альтернативой?

- Вполне мог бы, и задачи у нас есть, и проблемы. А Академия наук могла бы возглавить это дело.

Что необходимо сделать, чтобы это произошло?

- Ну, наверное, президент должен поставить такую задачу перед Академией наук. Это слишком высокий уровень, попытки создать институт сварки в Красноярском крае дело не из простых. Если говорить прямо, здесь нет такого количества предприятий, которые вуз подобного рода мог бы обеспечивать, оказывать различные  услуги. Поэтому это должно быть одно заведение в другом месте, в Москве или Питере.

Есть ли в нашей стране и за рубежом подразделения, которые занимаются аналогичными вопросами? Изучением электронно-лучевой сварки и технологической разработкой?

= Да, есть в Германии компания, которая занимается электронно-лучевым оборудованием. Мы периодически с ними встречаемся на конференциях. А в нашей стране данную область представляют два центра — центр в Томске и центр под Рязанью.

Как в этой области обстоит дело с воспроизводством кадров?

- Ну, специально на электронно-лучевую сварку никто не готовит. Есть кафедры сварочные при университетах, которые выпускают технологов для работы на предприятиях.

Будет ли данное направление развиваться в плане обучения и профессиональной подготовки специалистов?

- Электронно-лучевое оборудование объективно будет развиваться, и нужны будут люди, способные работать на установках. А за ними уж точно не должен работать простой человек средним образованием, необходима специальная подготовка в вузе. Поэтому ответ очевиден, — будет.

Кто будет готовить новые кадры для этой области? Примет ли в этом участие наш университет?

- Я думаю да, наш университет способен принять в этом активное участие.

На каких научных мероприятиях, вы считаете, необходимо докладывать о развитии данных технологий?

- Если речь идет об электронно-лучевой сварке, то у нас в стране есть специализированные конференции. Как правило, они проходят в Москве и Санкт-Петербурге, мы регулярно ездим туда с докладами. Ели речь идет о пайке, то это, конечно же, конференции в Томске. С выставками дела обстоят сложнее, так как оборудование громоздкое, затратно и довольно сложно организовывать его перевозку.

Как в настоящее время кафедра ищет партнеров?

- Посредством тех же конференций, если речь идет о электронно-лучевой сварке. В рамках подобных мероприятий у нас есть возможность и время представить свои доклады. Показать представителям организаций, которые осуществляют работу в данной области, свои разработки.

#sibgu #ReshU #ReshetnevUniversity #МинобрнаукиРоссии