Лазерная микрометаллургия открывает новые перспективы в авиастроении.
Ученые Института теоретической и прикладной механики им. С.А.Христиановича СО РАН вместе с Институтом ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН опубликовали в издательстве Springer материалы исследования всех необходимых параметров нагрузки на конструкционные лазерные сварные швы перспективных летательных аппаратов.
Исследование проводилось с помощью мощного рентгеновского источника синхротронного излучения. Цель работы - выявить и устранить локальные особенности сварного шва, чтобы достичь конструкционной прочности основного сплава. Это позволит в дальнейшем постепенно отказаться от технологии крепления деталей корпуса самолетов при помощи заклепок, заметно снизить вес самолетов и топливные затраты при полете. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (23-79-00037).
Заклепки используются в самолетостроении с момента возникновения отрасли. Спустя сто с лишним лет можно с уверенностью сказать, что они существенно утяжеляют летательные аппараты, увеличивая расход топлива и уменьшая дальность полета. Помимо роста себестоимости и веса самолета продолжительность процесса его создания с использованием технологии клепки также увеличивается в разы. Некоторые иностранные производители самолетов уже частично отказались от заклепок, заменив их на сварные швы. В России сварка корпуса самолета пока не получила практического использования и широкого распространения.
При этом развитие аэрокосмической промышленности направлено на достижение весовой эффективности конечного изделия. Снижение веса и стоимости производства - наиболее сложная технологическая задача в области создания новых материалов и разработки перспективных технологий их соединения в изделиях авиационной и космической техники. Поэтому результаты исследования, о котором идет речь, трудно переоценить.
Ученые проверили прочность лазерных сварных соединений алюминиево-литиевых сплавов с использованием волоконного лазера и с последующей термообработкой. Изменения структурно-фазового состава материала сварного шва до и после термообработки исследовались с помощью синхротронного излучения и просвечивающей электронной микроскопии. Параллельно механики изучили свойства лазерно-сварных соединений - усталостную прочность, трещиностойкость, предел текучести и предел прочности на растяжение.
– Исследования структурно-фазового состояния сварного шва из современного алюминий-литиевого сплава марки В-1461 при помощи синхротронного излучения показали, что конструкционная прочность практически достигает аналогичных характеристик основного материала, - рассказал доктор технических наук заведующий лабораторией лазерных технологий ИТПМ СО РАН Александр Маликов. - Длина сварного шва на одной панели фюзеляжа может составлять от 25 до 37 метров. А число заклепок - от 140 до 300 штук на одну панель. Количество панелей варьируется в зависимости от типа самолета. Различают более ста типов заклепок, всего в конструкции самолета их около миллиона.
Лазерная сварка вместо клепки и применение более легких алюминиевых сплавов позволят, по оценкам специалистов, снизить вес самолета примерно на 25%. Но это при полной замене на летательных аппаратах заклепок на сварные швы, которую в мире еще никто не производил. А в целом ряде других отраслей примеров использования новых сплавов и лазерной сварки огромное множество. Например, в Японии от технологии клепки отказались на всех видах производств - от автомобилей до строительной техники и морских судов. На летательных аппаратах отказаться от клепки удалось только компании Airbus, причем только в нижней части фюзеляжа. Тем не менее экономия оказалась гигантской. Ведь вес больших пассажирских самолетов в среднем составляет свыше ста тонн.
По подсчетам немецких экспертов, для самолета Airbus A340-300 при применении новых сплавов и лазерной сварке в некоторых конструкциях самолета снижение его общей массы может достигать одной тонны, что приводит к экономии топлива на 1,45% при трансатлантическом перелете. Эти единицы процентов при средней эксплуатации современного самолета 25 лет дают экономию на топливе примерно 10 миллионов долларов. А.Маликов отметил, что процесс постепенного облегчения массы самолетов лучше начать с малой и средней авиации, например, с ТВС-2МС и Sukhoi Superjet 100. Самолет ТВС-2МС - это модернизированный Ан-2 (разработка СибНИА им. С.А.Чаплыгина). Он весит около пяти тонн. На сегодняшний день данные самолеты производятся «Русавиапромом» с целью возрождения малой региональной авиации.
– Мы совместно с Институтом теоретической и прикладной механики сейчас анализируем, какие технологии производства можно беспрепятственно со стороны формальных технологических ограничений заменить на сварку, - уточнил генеральный директор компании «Русавиапром» Алексей Крюков. - В авиации не все позволено технологически поменять, даже если предлагаемая технология имеет чрезвычайно высокую надежность. Но, скажем, в отношении части элементов фюзеляжа это допустимо. Кроме отдельных швов корпуса самолета мы планируем применить сварные конструкции на некоторых деталях агрегатов двигателя вместо технологий традиционной механической обработки. Речь идет, например, о топливных и масляных насосах и регуляторах. Стоит отметить, что сварка заметно экономичнее, а по качеству и прочности соединения не уступает прежним технологиям.
Разработкой новых материалов для снижения массы самолетов занимаются во всем мире на протяжении десятилетий. В начале 1990-х годов были разработаны сплавы третьего поколения с алюминием, медью и литием, с алюминием, магнием и литием и, наконец, со всеми четырьмя компонентами. Эти марки сплавов до сих пор считаются наиболее перспективными благодаря прочности, жесткости, пластичности, обрабатываемости и коррозионной стойкости. Они намного лучше обычных алюминиевых сплавов.
Все перечисленные преимущества обеспечиваются комплексным воздействием на основе принципов лазерной микрометаллургии: термообработкой, искусственным старением. Но максимальных результатов по всем видам прочности ученые достигают только в результате серии экспериментальных работ по варьированию уровня содержания различных металлов в сплаве, подбора оптимальной температуры, времени и других параметров их обработки в области сварных швов.
Заместитель председателя СО РАН академик Василий Фомин отметил, что от клепки уже отказались многие производства, в частности, вагонов поездов, танков и кораблей, даже ледоколов, хотя последние испытывают колоссальные нагрузки, разбивая многометровые толщи льда.
– Нет сомнений, что сварка будет внедряться в авиастроение, что уже и сейчас постепенно происходит, но скорость внедрения данной технологии зависит не столько от ученых, сколько от появления в этой области генерального конструктора, который не побоится принять ответственность за необходимый очередной шаг технологической революции, - пояснил академик. - Рано или поздно самолеты станут полностью сварными.
Мария Роговая
Обложка: Процесс лазерной сварки демонстрируют заместителю министра науки РФ Д.Секиринскому. Фото пресс-службы СО РАН
