Лазерная сварка: как снизить массу самолета?

Российские ученые впервые создали научные основы технологии лазерной сварки алюминиево-литиевых сплавов В-1461 отечественного производства. Для этого исследователи изучили фазовые микро- и наноструктурные превращения, которые сопровождают процесс формирования сварного шва. Внедрение технологии лазерной сварки в авиа- и ракетостроение может определять развитие авиационного и космического машиностроения в России и позволит обеспечить создание масштабного научно-технологического задела. Мы поговорили с Александром Геннадиевичем Маликовым из ИТПМ СО РАН и Евгением Викторовичем Карповым из ИГиЛ СО РАН, и они рассказали об особенностях и преимуществах лазерной сварки сплавов. Материал подготовлен в рамках специального проекта Российской академии наук и издания InScience.News.— В чем особенность и уникальность этого сплава? Почему эта тема сегодня актуальна?— Маликов Александр Геннадиевич, Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича: Данный сплав является алюминиево-литиевым сплавом. Они легче традиционных алюминиевых сплавов. Созданы Al-Li-сплавы 3- го поколения, которые имеют пониженную концентрацию лития, меньше 2% от массы, следующей системы легирования: Al–Cu–Li (В-1461, В-1469, 2195, 2196, 2198 и др.); Al–Cu–Mg–Li (1441) и Al–Mg–Li (1424). Эти сплавы сегодня относят к наиболее перспективным для применения в аэрокосмической промышленности. Все благодаря их высоким механическим характеристикам: прочности, жесткости, пластичности, обрабатываемости и коррозионной стойкости. Это позволяет им конкурировать с традиционными алюминиевыми сплавами и полимерными композиционными материалами. Высокие механические свойства этих сплавов обеспечиваются за счет специальной термомеханической обработки, в результате которой формируются различные упрочняющие фазы.Стоит заметить, что мы впервые создали научные основы технологии лазерной сварки современных термически упрочняемых алюминиево-литиевых сплавов, произведенных в России, которые позволили получить прочностные свойства сварных соединений, близких или равных исходным сплавам.Чтобы достичь этого, мы провели ряд фундаментальных исследований в области взаимодействия лазерного излучения с веществом. Также мы занялись развитием нового научного направления — лазерной микрометаллургии. Кроме того, мы изучали динамики фазовых, микро- и наноструктурных превращений, которые сопровождают процесс формирования сварного шва и последующей термической обработки, которая нужна для разработки технологии лазерной сварки с максимальными механическими свойствами. Использовали мы и самые современные методы диагностики. Среди них — абсолютно новый способ на основе синхротронного излучения на установке класса «мегасайенс». Он позволяет достичь очень высоких механических свойств сварного шва.— Какова практическая значимость вашего исследования? Чем полученные сварные соединения отличаются от зарубежных и отечественных, которые используются сегодня?— Маликов А.Г.: Начнем с того, что сегодня существует одна очень актуальная проблема. При изготовлении сложных деталей, которые обладают уникальными эксплуатационными характеристиками и которые могут работать в условиях высоких температур и механических нагрузок, обычно используют технологию заклепочного соединения. У нее есть ряд проблем. Во-первых, у нее очень длительный производственный цикл, вызванный слишком высокой ручной нагрузкой. Во-вторых, процесс изготовления сопровождается очень громким шумом и вибрациями, что негативно сказывается на здоровье людей, участвующих в производстве. В-третьих, при использовании заклепочной технологии детали соединяются внахлест. Это приводит к повышению материалоемкости и веса конструкции, а также — к необходимости принимать специальные меры для герметизации изделий.Поэтому очевидно, что необходимо перейти на новые высокопроизводительные и материалосберегающие технологии. По оценкам экспертов из Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ), замена заклепочных соединений на сварные с использованием алюминиево-литиевых сплавов снизит вес конструкции летательного объекта до 25%.Однако внедрению нового метода мешала проблема. Статические механические характеристики лазерных сварных соединений, такие как временное сопротивление на разрыв, предел текучести и относительное удлинение, были слишком низкими. Они составляли всего 50-80% от значений исходного сплава. Поэтому внедрить лазерную сварку в авиастроение было невозможно, учитывая крайне строгие требования.— Однако вам удалось решить эту проблему?— Маликов А.Г.: Именно так. Во-первых, результаты, которые мы получили в результате исследований, расширяют представления о структурно-фазовых превращениях, происходящих при формировании сварных соединений с помощью лазерной сварки и последующей пост-термообработки. Во-вторых, полученные данные объясняют характер структурных преобразований, вызванных высокоэнергетическим лазерным воздействием и последующей оптимальной термообработкой. В-третьих, исследование помогло раскрыть связь фазового состава и механических характеристик лазерных сварных соединений.— Какая главная задача стоит перед современной авиационной промышленностью?— Маликов А.Г.: Развитие авиационной промышленности неразрывно связано с задачей снижения массы летательного аппарата. Лазерная сварка могла бы помочь решить эту проблему, но, как я уже говорил, у нее есть проблемы. Поэтому сегодня эту технологию на российских авиационных заводах не используют. Однако внедрение технологии лазерной сварки в авиа- и ракетостроение может в значительной мере определять процесс развития авиационного и космического машиностроения в России и позволит обеспечить создание научно-технологического задела, близкого к мировому уровню. Этот задел можно использовать, чтобы реализовать новые конструктивные решения при соединении деталей в узлы, снизить материалоемкость и общий вес единицы изделия, получить дополнительные возможности для одновременного повышения массогабаритных характеристик перевозимых объектов.Также отмечу, что наши результаты актуальны и для развития государственной программы «Развитие авиационной промышленности, создание высококонкурентной авиационной промышленности и закрепление ее позиции на мировом рынке в качестве третьего производителя по объемам выпуска авиационной техники». Основными потребителями технологии лазерной сварки являются предприятия, входящие в ПАО «Объединенная авиастроительная корпорация».– Как влияет правильно подобранное искусственное старение на прочность шва?– Карпов Евгений Викторович, Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева: В термообработке используются две процедуры — закалка и старение. Сплав 1461 в том виде, как его поставляет завод, приобретает свои свойства в результате многоступенчатой термообработки. При сварке он переплавляется и кристаллизуется заново. А все приобретенные свойства, естественно, теряются. К тому же у этого сплава в шве образуется своеобразная ячеистая структура. В ней все легирующие элементы собираются по границам ячеек, которые становятся хрупкими. А внутри ячеек сплав становится слабо легированным и теряет прочность.Закалка используется для того, чтобы растворить эти хрупкие границы ячеек и вернуть шов в состояние пресыщенного твердого раствора, когда легирующие элементы относительно равномерно распределены в основном металле — алюминии. Шов перестает быть хрупким, но становится мягким, как и вся деталь. Ведь нельзя нагреть шов, не нагрев все вокруг него.– А что со второй процедурой, старением?– Карпов Е.В.: Сейчас поясню. Пресыщенный раствор — это нестабильное состояние. Растворенные элементы со временем образуют более стабильные химические соединения, в сплаве образуются новые фазы (выделения другого химического состава). Это называется старением. Естественное старение — процесс долгий. Для его ускорения можно нагреть сплав до некоторой температуры. От выбранного режима старения зависит, какие именно фазы образуются и какого размера. Некоторые разновидности фаз оказывают на сплав упрочняющее действие. Цель состоит в том, чтобы получить их в результате искусственного старения. В итоге закалка делает шов «не хуже остального материала», но разупрочняет сам материал, а старение восстанавливает прочность, близкую к исходной.Данный сплав при старении в некотором диапазоне температур становится одновременно прочнее и пластичнее. Но если выйти из этого диапазона в более высокие температуры, дальнейшее упрочнение сопровождается резким снижением пластичности. Перестаренный сплав становится прочным, но слишком хрупким. В качестве оптимального режима мы взяли такой, при котором прочность почти равна исходной, а пластичность — не хуже исходной.– Какие методы вы использовали, чтобы изучить сплав?– Карпов Е.В.: Для исследования использовали универсальную электромеханическую машину для испытания материалов с климатической камерой, оптический микроскоп, электронные сканирующие микроскопы с возможностью химического анализа, микротвердомеры. Структурно-фазовый состав мы исследовали с использованием синхротронного излучения при помощи дифракции на просвет (на станции канала синхротронного излучения от накопителя ВЭПП-3 в ИЯФ СО РАН). Сварка проводилась на разработанном АТЛК «Сибирь-1», разработанном в лаборатории лазерных технологий ИТПМ СО РАН.– На какие работы вы опирались в ходе исследования?– Карпов Е.В.: Опирались в основном на работы разработчиков сплава В-1461. Прежде чем нам удалось добиться положительного результаты, было много безуспешных попыток улучшить свойства шва. Мы вводили дополнительный легирующий элемент, использовали нано-присадки и деформационное упрочнение. Отмечу, что также в литературе есть описание попыток упрочнить шов с помощью присадочных проволок с довольно скромным результатом. В итоге мы пришли к попыткам получить требуемый результат методами, используемыми при производстве сплава.Очень еще хотелось бы отметить, что вся эта история со статьей началась с неприятного казуса, когда по ошибке составителей презентации для выступления президента РАН Александра Сергеева было написано, что новый метод получения сварных швов получили в ИГиЛ СО РАН, а ИТПМ СО РАН упомянут не был. Собственно сварочными делами занимается лаборатория Александра Григорьевича Маликова в ИТПМ. Я в ИГиЛ занимался исследованием получаемых соединений в процессе поиска оптимального метода их создания.Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Facebook и Twitter.