Zgrzewanie tarciowe przyczyną opóźnień programu SLS

4

W Michoud Assembly Facility wznowiono proces łączenia elementów, przeznaczonych dla pierwszego egzemplarza lotnego nowej rakiety nośnej NASA. Proces ten został wstrzymany w zeszłym roku z powodu wystąpienia usterek spawów, obniżających ich wytrzymałość poniżej wymaganego progu.

Spawanie tarciowe (właściwie zgrzewanie tarciowe) jest nowoczesną techniką wykonywania połączeń pomiędzy elementami, opracowaną w 1991 roku i wykorzystywaną w przemyśle aeronautycznym, budownictwie okrętowym, przemyśle samochodowym i kolejnictwie. Wykonywanie łączeń tą techniką zastosowano po raz pierwszy w przemyśle kosmicznym do wykonania części elementów w ultralekkich zbiornikach wahadłowców kosmicznych począwszy od zbiornika ET-132, użytego w misji STS-128, a następnie także do większych elementów.

Obecnie wykorzystywana metoda stanowi rozwinięcie wspomnianej techniki FTW (friction stir welding – zgrzewania tarciowego z przemieszaniem), z wykorzystaniem nieco innego rodzaju głowicy. W klasycznej metodzie zgrzewania tarciowego wykorzystuje się jednostronny docisk specjalnego, utwardzonego trzpienia, który obracając się powoduje zmiękczenie, przemieszczenie i połączenie materiału pochodzącego z dwóch elementów w jedną całość. Nowa metoda wykorzystuje bardziej złożony proces zgrzewania, wykonywany przez zmodyfikowaną głowicę, w której nacisk wywierany na łączony materiał pochodzi zarówno z górnej jak i dolnej części głowicy. Co więcej, zastosowanie nowej techniki zgrzewania w przypadku budowy zbiorników ciekłego wodoru oraz ciekłego tlenu wiąże się z wykonywaniem bardzo grubych spawów – grubszych niż miało to miejsce do tej pory.

Nagranie dotyczące łączenia elementów zbiornika ciekłego tlenu rakiety SLS (opublikowane w kwietniu 2016) / Credits – NASA’s Marshall Center

Problemy nowej technologii

Niestety, w trakcie łączenia elementów o większej grubości natrafiono na niespodziewane problemy techniczne, objawiające się niewielkimi, lecz znaczącymi niedoskonałościami w obrębie spawów w miejscach łączenia dużych elementów zbiornika. Przyczyna ich powstawania pozostawała nieznana, co zmusiło inżynierów do przerwania prac i ponownego przeanalizowania wszystkich procesów tej nowatorskiej techniki spawalniczej. Drugim poważnym mankamentem, który również wpłynął na decyzję o przerwaniu prac było odkrycie, że trzpień wykorzystywany bezpośrednio do łączenia elementów i stanowiący część głowicy, posiada mikropęknięcia zwiększające ryzyko jego trwałego uszkodzenia lub zerwania. Dodatkowym problemem, wynikającym z osłabienia trzpienia jest fakt, iż nagłe przerwanie zgrzewania w sposób niekontrolowany powoduje, iż ten element głowicy znajdujący się w kontakcie z materiałem przywiera do niego i musi zostać usunięty przez obróbkę mechaniczną. O ile proces zgrzewania dopuszcza tego rodzaju usterki, operacja wymiany trzpienia oraz ponowne przygotowanie materiału do obróbki zabiera cenny czas oraz rodzi dodatkowe problemy, których zespół inżynierów wolał uniknąć.

Z tego względu zdecydowano się na wprowadzenie niewielkich modyfikacji w obrębie trzpienia, umożliwiających nieco silniejsze oddziaływanie mechaniczne na materiał poddawany zgrzewaniu. Po przeprowadzeniu serii testów okazało się, że rozwiązuje to problem mikropęknięć. Po dalszych badaniach udało się również rozwiązać problem powstawania niejednorodności i błędów w spawach, które okazały się powstawać niezależnie od uszkodzeń trzpienia.

Niestety, po wznowieniu zgrzewania z wykorzystaniem pełnowymiarowych elementów i zmodyfikowanej głowicy, zespół odpowiedzialny za montaż zauważył pojawianie się losowych niejednorodności w spawach, charakteryzujących się obniżoną wytrzymałością. Co więcej, defekty tego typu pojawiały się w sposób całkowicie nieprzewidywalny, a ich specyfika czyni je bardzo trudnymi do identyfikacji bez użycia technik analiz destrukcyjnych (w toku których dochodzi do zniszczenia badanych próbek).

Na niezbadanych wodach

Przeprowadzona przez zespół analiza wykazała, że problemem jest powstawanie kruchej warstwy materiału na powierzchni spawu, wpływającej bezpośrednio na jego wytrzymałość na rozciąganie, a co za tym idzie na całą wytrzymałość mechaniczną spawu. Dalsze badania materiałowe polegające na zgrzewaniu próbek materiałów ujawniły, że wspomniane anomalie pojawiają się w mniej więcej jednym na piętnaście wykonanych spawów i mają charakter całkowicie losowy. Mechanizm powstawania defektów jednak nadal pozostaje nieznany – w efekcie jedynie oryginalny, niezmodyfikowany projekt głowicy umożliwia wykonywanie spawów o właściwej wytrzymałości, przy założeniu, że zarówno prędkość obrotowa trzpienia głowicy i jego konstrukcja, a także siły działające na materiał mieszczą się w przyjętym zakresie. Wszelkie odchylenie od przyjętych norm wiąże się z wkroczeniem na niezbadany teren – do tej pory nie istnieje wystarczająca ilość danych umożliwiająca stworzenie modelu matematycznego, przewidującego zachowanie spawanego materiału w spawach o takiej grubości, a próby doświadczalne nie znalazły na razie przyczyn występowania tego zjawiska.

Aby zminimalizować wystąpienie problemów zespół postanowił wprowadzić pre-kwalifikację trzpieni, która polega na uprzednim wykonaniu testowych spawów i poddaniu ich analizie strukturalnej. W przypadku braku wystąpienia usterek w analizowanych spawach, trzpień jest uznany za zakwalifikowany do pracy przy elementach SLS. Ryzyko wystąpienia wadliwych połączeń w budowanym zbiorniku jest wtedy bardzo niskie. Co ciekawe, problem nie dotyczy jednak elementów spawanych o mniejszej grubości, występujących w sekcji silnikowej oraz przedniej osłony stopnia, osłaniającej zbiornik w jego górnej części.

Równolegle do prac spawalniczych nad nowym zbiornikiem, trwają badania procesów występujących w nowej technice wykonywania spawów o zwiększonej grubości, przy czym tak złożony problem oznacza, że trudno jest oszacować czas w jakim można spodziewać się lepszego zrozumienia procesów wpływających na powstawanie anomalii w spawach.

Opóźnienia programu SLS

Start rakiety SLS - jednego z elementów największego obecnie programu NASA / Credits - NASA

Start rakiety SLS – jednego z elementów największego obecnie programu NASA / Credits – NASA

Ponieważ defekty zidentyfikowano w trakcie montażu zbiornika ciekłego tlenu pojawił się dodatkowy problem, ponieważ w tym czasie zakończono już zgrzewanie zbiorników ciekłego wodoru, do czego użyto zmodyfikowanego trzpienia, w tym także do wykonania zbiornika mającego znaleźć się w rakiecie przeznaczonej do lotu. Z powodu ryzyka wystąpienia katastrofalnego błędu najprawdopodobniej nie będzie on użyty w obecnej formie w locie kosmicznym – dopuszcza się jego wymianę lub przeprowadzenie napraw.

Nawet w przypadku pozytywnego przejścia przez testy wytrzymałościowe, ryzyko wystąpienia usterki konstrukcyjnej nie jest wykluczone. Co więcej, także sam zespół inżynierów jest podzielony nawet co do tego, czy wspomniany zbiornik będzie w ogóle w stanie wytrzymać takie testy. Oznacza to, że w kolejnych miesiącach NASA może wprowadzić kolejne testy strukturalne, które pozwolą określić poziom wykonania spawów.

(NSF)

Share.

4 komentarze

  1. Odnośnie spawania. Swego czasu przeprowadzono próby spawania w kosmosie. Jakie są wyniki tych prób? Czy po przeniesieniu produkcji wielkowymiarowych elementów na orbitę w warunkach nieważkości i próżni jakość spawów na tyle znacząco się poprawi, że sprowadzanie I stopnia rakiety z orbity na Ziemię stanie się akceptowalne? Czy rozważano już taką ewentualność? Przecież sprowadzanie I stopnia rakiety z nieco niższych wysokości mamy już praktycznie opanowane!

Leave A Reply