Основной целью государственной программы Российской Федерации «Развитие авиационной промышленности на 2013–2025 годы» является создание высоко конкурентной авиационной промышленности и закрепление ее позиции на мировом рынке в качестве третьего производителя по объемам выпуска авиационной техники. Достижение указанной цели невозможно без решения следующей приоритетной задачи: создание научно-технического задела, обеспечивающего мировое лидерство в авиационных технологиях.

В реализации трех этапов подпрограммы «Самолетостроение» прогнозируемое количество поставляемых самолетов показано на рис. 1.

Рис. 1. Прогноз поставки самолетов по этапам (годам).
 

Одной из актуальных проблем при производстве авиационной техники является снижение веса и увеличение надежности деталей.

В производстве пассажирских широкофюзеляжных самолетов используется технология соединения деталей с использованием миллионов заклепок. Данная технология обладает следующими недостатками: трудоёмкость, повышенная материалоёмкость соединения, процесс сопровождается шумом и вибрацией. Единственная, но принципиальная причина, по которой заклепки все еще используются, — это прочность и усталостная прочность, имеющие принципиальное значение для авиации.

На современном этапе развития технология заклёпочного соединения уступает место сварке, обеспечивающей большую производительность процесса, полную автоматизацию и управление, универсальность и экологическую чистоту. Однако все существующие методы создания неразъемных соединений высоколегированных алюминевых сплавов c помощью сварки плавлением (аргонодуговая, лазерная и электронно-лучевая) не обеспечивают прочность сварного шва, сравнимую с прочностью основного материала. При традиционной дуговой сварке различных авиационных сплавов существенным затруднением является их склонность к образованию трещин, наличию пор, возникновение высоких напряжений и деформаций. Эта склонность повышается с увеличением количества в сплавах легирующих элементов, которые с одной стороны повышают их прочность, но с другой не позволяют использовать сварку для создания деталей из них. Лазерная сварка имеет преимущество перед аргонодуговой за счет на порядок меньшей зоны термического влияния и точности позиционирования, а перед электронно-лучевой — не требует создание вакуумной среды в зоне сварки. Она в 30 раз производительнее по скорости процесса по сравнению со скоростью заклепочного соединения, при этом уменьшается металлоемкость соединения (рис. 2).

Заклепочное соединение    Соединение лазерной сваркой

Рис. 2. Соединение крепления стрингера с помощью клепки и лазерной сварки.

Мировые авиапроизводители Airbus и Boeing последние десять лет изучают новые возможности замены заклепочного соединения на более производительные и менее металлоёмкие технологии соединения деталей. Для самолета Airbus A 340–300 снижение веса может достигать значений до 1000 кг, что приводит к экономии топлива на 1,45 % при трансатлантическом перелете. При средней эксплуатации современного самолета 25 лет экономия на топливе составляет в среднем 10 млн долларов [1].

Средняя каталожная стоимость самолета семейства Airbus A 340 составляет 220 млн долларов [2]. Стоимость корпуса самолета составляет половины стоимости самолета, т. е. ≈ 110 млн долларов. Производительность труда при использовании технологии лазерной сварки увеличивается в 30 раз. Предположим, что при сборке самолетов с внедрением технологии сварки позволит сэкономить 10 % от общей стоимости фюзеляжа одного самолета, т. е. 11 млн долларов. Экономической эффект результата деятельности от внедрения предлагаемого технологии в целом дает экономию при производстве самолетов ≈ 3 миллиарда долларов.

В России впервые сварные конструкции взамен клепанных из алюминиево‑литиевого сплава 1420 использовали при создании самолета МИГ‑29 М. Для изготовления элементов конструкции фюзеляжа (кабины пилота, топливных баков) использовали полуфабрикаты из сплава 1420 системы Al-Mg-Li-Zr. Это позволило снизить массу фюзеляжа по сравнению с клепанной конструкцией из сплава Д16 Т за счет меньшей (на 10 %) плотности сплава 1420 (ρ = 2,47 г/см³) и за счет устранения нахлесток, герметиков, клепаных и болтовых соединений.

В ФГУП ВИАМ разработан современный среднепрочный коррозионностойкий свариваемый алюминиевый сплав 1424 пониженной плотности [3]. Он является одним из наиболее перспективных для создания сварного фюзеляжа аэробусов. Сплав 1424 (ρ = 2,47 г/см³) является улучшенной модификацией сплава 1420 за счет дополнительного легирования цинком и скандием при некотором снижении содержания лития и магния. Сплав 1424 отличается от 1420 более высокими характеристиками статической прочности, вязкости разрушения, малоцикловой усталости, свариваемости и обладает эффектом сверхпластичности. Среднее значение прочности основного сплава составляет σ_в0 = 460 МПа. На сегодняшний момент прочность сварного соединения, выполненного сваркой плавлением, составляет 0,75–0,8 от прочности основного материала и увеличение механических характеристик сварных соединений является актуальной задачей.

Постановка экспериментов
 

Лазерная сварка (ЛС) алюминиевого сплава 1424 осуществлялась на созданном в ИТПМ СО РАН автоматизированном лазерном технологическом комплексе «Сибирь‑1», включающем непрерывный СО₂‑лазер мощностью до 8 кВт [4] и с параметром качества пучка K = 0.7, технологический стол портального типа и компьютерную систему управления лазером и столом. Лазерное излучение фокусировалось на поверхности металла с помощью ZnSe-линзы с фокусным расстоянием 254–304 мм. Для защиты сварного шва использовалось сопло, из которого подавался инертный газ гелий. Заготовка из алюминиевого сплава толщиной 1,6 мм оставалось неподвижной, происходило только перемещение излучения.

Одной из особенностей сварки алюминий-литиевых сплавов является необходимость устранения оксидной пленки сложного состава, образующейся на поверхности сплава при взаимодействии с окружающей атмосферой. Оксидная пленка устранялась с помощью химического фрезерования на толщину 0,15–0,2 мм. Непосредственно перед сваркой кромки образцов зачищались до блеска с помощью металлического шабера. Прочность сварного соединения испытывалась на универсальной машине для испытания материалов Zwick/Roell Z100.

Экспериментальные исследование технологии сварки
 

На первоначальном этапе происходила оптимизация процесса ЛС по энергетическим параметрам: мощность лазерного излучения, положение фокального пятна лазерного излучения относительно поверхности заготовки и скорость сварки.
Для сплава 1424 оптимальная мощность излучения составила W = 2,7 кВт, оптимальное положение фокуса — 3 мм относительно верхней поверхности свариваемого листа. При этом в диапазоне скорости от 3 до 6 м/мин прочность сварного соединения составляла 0,75–0,78 от прочности основного металла.

В последнее время вновь возрастающий интерес представляет метод наноструктурирования металлических конструкционных материалов с помощью различных видов интенсивной пластической деформации на прессе и ударной пластической деформации [5–7], обеспечивающих формирование мелкодисперсной структуры металла и повышение механических свойств. Целью следующего этапа исследований было совмещение процессов лазерной сварки и различных методов последующей деформаций сварного соединения. Сварной шов подвергался интенсивной холодной ударной пластической деформации и пластической деформации на прессе. Также образец подвергался шлифовке без деформации. Это способствовало снижению концентрации остаточных напряжений в сварном шве [7], устранению поверхностных дефектов, которые являются источником зарождения усталостного разрушения, связанного с развитием в поверхностном слое замкнутых вихрей локализованной пластической деформации [8].

Все рассмотренные виды обработки — пластическое прессование, ударная пластическая деформация и шлифование — приводят к увеличению прочности сварного соединения. При этом изменяется характер разрушения сварного соединения (рис. 3).

Рис. 3. Характер разрушения сварного соединения. а) — без обработки, б) — ударная пластическая деформация, в) — пластическая деформация, г) — шлифование поверхности.
 

Рис. 4. Зависимость упрочения сварного соединения и основного металла подвергнутого ударной пластической деформации, от степени деформации сварного шва (по толщине).
 

Следующим этапом исследований было более детальное изучение зависимости прочности сварного соединения, а также прочности основного металла от степени деформации ε по толщине сварного шва после ударной пластической деформации (рис. 4).

Изменение среднего значения прочности для сварного соединения, подвергнутого пластической деформации различными способами, определялась, как
                             δ_1,2 = ((σ _в(1,2) – σ _{в св. с.}) / σ_{в св. с.}) * 100 %,
где σ_{в св. с.}=360 МПа прочность сварного соединения. А σ_в(1,2) – прочности сварного соединения, подвергаемого холодной ударной пластической деформации (σ_в(1)) и пластической деформации на прессе (σ_в(2)). Степень упрочнения основного металла, подвергаемого ударной пластической деформации, определяется как
                            δ₃ =  ((σ_в(3) – σв _0.) / σ_в0.) * 100 %,
где исходная прочность основного металла σ_в0. = 460 МПа, а σ_в(3)– прочность основного металла после холодной ударной пластической деформации.

Как мы видим из рис. 4, средние степени упрочнения сварного соединения δ_1,2, подвергнутого пластической деформации, имеют более высокие показатели по сравнению со степенью δ3 упрочнения основного металла, подвергнутого ударной пластической деформации.

С увеличением степени деформации характер разрушения сварного соединения сравним с характером разрушения основного металла. На рис. 5 при 5‑кратном увеличении приведена макроструктура разрушившихся сварных образцов. Стрелками показаны границы сварного шва (вид сбоку) после травления в реактиве Келлера.

Следует заметить, что при значении степени пластической деформации по толщине 13 % (рис. 5в) разрушение произошло не по сварному соединению, а по основному металлу (рис. 5в, рис. 6). При этом прочность составила 439 МПа.

Рис. 5. Макроструктура сварных соединений образцов после испытаний.

Рис. 6. Характер разрушения сварного соединения при пластической деформации (вид сверху).
 

Рис. 7. Эскизная схема лазерной сварки с применением пластической деформации.

Согласно рис. 5–6, с увеличением значения степени деформации толщины пластины происходит упрочнение сварного соединения. Разрушение происходит в зоне термического влияния, а при дальнейшем воздействии пластической деформации на шов происходит упрочнение зоны термического влияния (рис. 7). При степени деформации толщины пластины 6–13 % прочность сварного соединения достигает показателя 0,85–0,95 по отношению к прочности основного металла.

Обобщенные результаты исследования средней прочности сварного соединения от различных видов обработки представлены в таблице 1. Где σ_{в св. с.} – прочность сварного соединения, k = σ_{в св. с.}/σ_в0. — отношение прочности сварного шва к прочности основного металла.

На рис. 7 представлена эскизная схема лазерной сварки с применением пластической деформации для создания высокопрочных конструкционных соединений одного из элементов фюзеляжа аэробуса из алюминевых сплавов. За лазерным излучением перемещается валик с определенным усилием F, передающимся от гидравлического устройства.

Выводы
 

Проведены экспериментальные исследования лазерной сварки алюминий-литиевого сплава 1424.

Предложена схема лазерной сварки конструкционных изделий с применением пластической деформации. Установлено, что применение пластической деформации сварного соединения позволяет увеличить прочность шва на 5–10 % по сравнению с основным металлом, подвергшимся аналогичной обработке.

Прочность сварного соединения для алюминиевого сплава 1424 достигает средних значений 0,85–0,95 от прочности основного металла.

Результаты работы открывают перспективы создания новых высокопрочных неразъемных соединений для изготовления узлов и деталей из высоколегированных алюминиевых сплавов.

А. Г. Маликов, А. М. Оришич
ФГБУН Институт теоретической и прикладной механики
им. С. А. Христиановича СО РАН, Новосибирск

Литература

1. I. Rötzer. Laser beam welding makes aircraft lighter//Fraun. maq. 2005. V. 1. P. 36–37.
2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Airbus_A340
3. Патент РФ № 2126456. Сплав на основе алюминия и способ его термической обработки. Фридляндер И. Н., Колобнев Н. И., Хохлатова Л. Б., Давыдов В. Г., Елагин В. И., Захаров В. В., Братухин А. Г., Лехельт Э., Винклер П., Пфанненмюллер Т. 1999. Бюл. № 5.
4. Афонин Ю. В., Голышев А. П., Иванченко А. И. и соавт. Генерация излучения с высоким качеством пучка в непрерывном СО2‑лазере мощностью 8 кВт//Квантовая электроника. 2004. Т. 34, № 4. С. 307–309.
5. Панин В. Е., Егорушкин В. Е. Физическая мезомеханика измельчения кристаллической структуры при интенсивной пластической деформации//Физ. мез. 2008. Т. 11. № 5. С. 5–16.
6. Рудской А. И. Наноструктурированные металлические материалы/СПб.: Наука. 2011.
7. Эшби М., Джонс Д. Конструкционные материалы/пер. с англ. Полный курс. М.: Издательский дом «Интеллект». 2010.
8. Панин В. Е., Сапожников С. В., Каблов Е. Н. и соавт. Влияние ультразвуковой ударной обработки на структуру и сопротивление усталости сварных соединений высокопрочной стали ВКС‑12//Физ. мезомех. 2006. Т. 9. № 2. С. 85–96.