Через трение к звездам: новая технология сварки сделает ракеты легче
Новая технология сварки трением позволит уйти от применения заклепок в авиастроении, сделав фюзеляжи самолетов более легкими. Это приведет к снижению топливных затрат и поможет снизить цены на перелеты. Также инновационный способ сварки планируют использовать при постройке космического корабля «Федерация», корпус которого будет создан из нового сверхлегкого сплава. В основе технологии — механическое воздействие вращающегося сверла, которое разогревает материал и перемешивает его при дополнительном воздействии ультразвука, способствующего размягчению сплава. В результате получается надежный и герметичный шов, прочность которого выше, чем у основного материала изделия.
Смешать со звуком
Алюминиевые сплавы — одни из самых легких и прочных материалов, которые широко используют при создании фюзеляжей самолетов. Однако они имеют существенный недостаток — металлические детали на основе серебристого металла не получается надежно скреплять посредством традиционной сварки плавлением. В результате авиапроизводители вынуждены использовать заклепочные соединения, для создания которых им приходится накладывать элементы друг на друга, увеличивая общий вес конструкции. Как правило, такой подход негативно влияет на грузоподъемность современных самолетов, их расход топлива и в конечном счете на стоимость билетов. Решить данную проблему удалось российским ученым, которые разработали инновационный способ сварки авиационных деталей.
— В основе метода — нагрев металла соединяемых деталей до пластического состояния с помощью вращающегося инструмента из инструментальной стали, — рассказал директор Института физики прочности и материаловедения СО РАН Евгений Колубаев. — В результате воздействия материал из обеих кромок свариваемых деталей размягчается (не достигая плавления), «захватывается» сверлом и перемешивается, образуя прочное и герметичное соединение.
Сборочный цех авиационного завода
При этом для интенсификации процесса перемешивания и повышения качества сварных швов в процессе обработки было решено использовать мощное ультразвуковое излучение. По словам ученых, в результате исследований были подобраны оптимальные параметры вибрационного воздействия (частота 22 кГц и амплитуда до 15 мкм), при которых достигается наиболее интенсивное перемешивание сплава. Это повышает производительность оборудования, а также уменьшает вероятность появления дефектов и положительно сказывается на прочности соединения. Нововведения коснулись и инструмента для подведения ультразвука к свариваемым поверхностям — так учеными был разработан титановый резонансный волновод, который надежно соединяет источник излучения со свариваемой деталью.
В настоящее время оборудование и создаваемые с его помощью соединения успешно прошли испытания. В результате теста на разрыв пробных образцов сварные швы показали высокую надежность и оказались прочнее основного материала.
Сначала ракеты, потом самолеты
Внедрение технологии в авиастроительную отрасль может произойти в самое ближайшее время. Ученые не только создали сварочное оборудование, но и разработали программно-аппаратный комплекс для контроля соединений, которые получаются в результате его применения. По словам экспертов, система позволяет проводить ультразвуковую диагностику, цифровую рентгенографию, а также тепловизионный контроль и контроль методом вихревых токов. Инструментарий предполагается использовать как в процессе проведения сварки — для недопущения брака, так и в ходе испытаний при эксплуатации элементов фюзеляжа.
Однако этим применение технологии не ограничивается.
Макет пилотируемого транспортного корабля нового поколения «Федерация» в РКК «Энергия»
— Помимо соединения авиационных деталей с помощью новой установки можно изготавливать космические аппараты, — подчеркнул Евгений Колубаев. — В частности, нашу технологию планируется использовать при создании корабля «Федерация», поскольку его корпус будет состоять не из традиционного для отрасли сплава АМг6 (алюминий + магний), а из нового более прочного российского, который проблематично сварить с помощью классических методов.
В результате внедрения технологии внешнюю оболочку корабля получится облегчить на 20–30%.
— Сварка трением известна уже давно, однако по отношению к алюминию такой метод ранее практически не использовался, поскольку данный металл обладает очень большой теплопроводностью и его трудно размягчить механическим способом, — пояснил заведующий лабораторией физической химии металлургических расплавов Института металлургии Уральского отделения РАН Алексей Шубин. — Сочетание метода с ультразвуковым воздействием можно считать удачным решением, которое предоставит конструкторам более совершенный способ соединения деталей, чем использование заклепок и клеевых составов.
Рабочий агрегатно-сварочного цеха ракетно-космического центра «Прогресс»
Однако, несмотря на возможности, которые открывает применение новой техники, ее внедрение может оказаться сложным делом.
— Подвод к деталям ультразвука с указанными характеристиками требует использования уникального оборудования, поэтому новую технологию не так просто масштабировать для широкого применения на предприятиях, — считает главный научный сотрудник Инжинирингового центра быстрого промышленного прототипирования высокой сложности НИТУ «МИСиС» Александр Громов.
По мнению эксперта, использование установки начнется со сварки изделий для ракетно-космической отрасли и только затем эта практика начнет распространяться на авиацию, вытесняя традиционные заклепки.
