Лазерная сварка позволит забыть о заклепках

В современном самолете используется до 30 млн. заклепок. Казалось бы, зачем, ведь металлические детали можно соединять при помощи сварки? Но проблема в том, что прочностные характеристики сварного шва невысоки. В месте соединения деталей в результате химической реакции образуются хрупкие дендритные структуры (интерметаллиды). Это крупные кристаллы, связи между которыми недостаточно сильные. В случае соединения листов одинакового металла шов должен быть толще основных деталей, только так можно добиться необходимой прочности. Но из-за этого увеличивается вес конструкций, что в авиастроении недопустимо. А сварные швы между деталями из разных металлов (к примеру, титана и нержавеющей стали) не выдерживают даже минимальных нагрузок. Новая технология, разработанная в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН, позволит соединять самые разнообразные металлы и отказаться от заклепок подобных креплений.

Ученые ИТПМ предложили использовать лазерную сварку вместо обычной. Как отмечает доктор физико-математических наук А. М. Оришич, главное достоинство лазера — он фокусирует большую энергию в точке приложения. Вещество фактически вытесняется за пределы этой точки. Образуется своеобразная «кастрюля», стенки которой состоят из расплавленного металла, а внутри нет абсолютно ничего. В эту «кастрюлю» добавляются специальные керамические наночастицы. Они смешиваются с частицами металла и в процессе остывания становятся центрами кристаллизации. В итоге вместо крупных кристаллов образуются мелкие, и прочность соединения значительно возрастает. В ходе первого эксперимента исследователи попытались соединить два листа титана (очень плохо поддается сварке). Впервые для такого металла был получен шов, прочность которого не уступает прочности самого материала.

Вдохновленные успехом, ученые изготовили крепкое соединение сразу трех разнородных металлов — титана, стали и меди. Медь в чистом виде является очень мягким металлом, но в ходе сварки образуются мелкие капельки интерметаллидов, и материал становится более прочным. Специалисты ИТПМ СО РАН уже запатентовали свою разработку. В ближайшее время им предстоит решить две задачи. Во-первых, необходимо исследовать фундаментальные физические характеристики полученного сварного шва, как композиционного материала. Для этого будут привлечены коллеги из Института физики прочности и материаловедения (Томск) и Института физики металлов (Екатеринбург). Во-вторых, необходимо внедрить новую технологию в производство. Планируется, что уже летом комиссия Всероссийского института авиационных материалов начнет аттестацию новинки. Также устанавливаются контакты с предприятиями судостроительной и автомобильной отрасли.