Версия для печати

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.