В новосибирском Академгородке более чем в 2 раза увеличили прочность лазерного сварного соединения алюминия и титана, применяемых в авиастроительной промышленности.
Российские ученые приблизили воплощение «голубой мечты» авиастроителей

Сотрудники Сибирского отделения Российской академии наук (СО РАН) применили синхротронное излучение для анализа характеристик сварного соединения алюминия и титана и, благодаря полученным данным, усовершенствовали процесс лазерной сварки. В работах участвовали специалисты из Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича (ИТПМ СО РАН), Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (ИХТТМ СО РАН). Результаты исследования опубликованы в журнале «Прикладная механика и техническая физика».

Легкие металлы: титан и алюминий — незаменимы в авиастроительной промышленности. От прочности их соединения напрямую зависит безопасность пассажиров. Автоматическая клепка — проверенный способ соединения металлов. Однако темпы производства достаточно невелики. Скорость машинной клепки не превышает 0,2 — 0,3 метров в минуту. Поэтому переход от заклепочных соединений к сварным является «голубой мечтой» авиаконструкторов. Методом лазерной сварки можно повысить скорость до 4 метров в минуту. Но прочность такого соединения не должна подвести конструкторов.

Лазерная сварка металлов сопряжена с рядом проблем, решить которые новосибирские ученые пытались с 2017 года. Трудности возникают из-за различий в химических и физических свойствах алюминия и титана: температуры плавления, плотности и теплопроводности. В сварном шве образуются новые химические соединения, среди которых встречаются твердые и хрупкие. Кроме того, неравномерный нагрев различных соединений может привести к появлению остаточных термических напряжений. Это также влияет на прочность соединения.

Чтобы понять, какие соединения и в каких количествах образуются при лазерной сварке, а затем усовершенствовать ее технологию, ученые СО РАН провели диагностику швов с помощью синхротронного излучения. Синхротронным называют электромагнитное излучение в жестком рентгеновском диапазоне, которое генерируется частицами, ускоренными магнитным полем. Просвечивая объекты синхротронным излучением, можно подробно рассмотреть их внутреннюю структуру и определить плотность в любой точке изменения.

Структура соединения, полученного без смещения луча Структура соединения, полученного без смещения луча

«Структурно-фазовый состав сварного соединения титана и алюминия был впервые определен нами с помощью синхротронного излучения, — рассказал Алексей Анчаров, старший научный сотрудник ИХТТМ СО РАН, руководитель станции «Дифрактометрия в жестком рентгеновском излучении» ЦКП «СЦСТИ», кандидат химических наук, — Мы обнаружили в шве различные интерметаллидные образования (соединения двух металлов). Большинство из них оказались твердыми и хрупкими. Это снизило прочность сварного соединения титана и алюминия. Поэтому нашей следующей задачей стало получение более однородного сплава».

Ученые решили задачу, сместив пучок лазерного излучения на 1 мм в сторону титанового сплава. Количество интерметаллидов сократилось, а прочность сварного шва увеличилась в 2,25 раза

Структура соединения, полученного после смещения лазерного луча на 1 мм Структура соединения, полученного после смещения лазерного луча на 1 мм

В настоящее время исследователи изучают остальные возможные варианты смещения лазерного пучка.