Сварить самолет будущего

Сибирские ученые разработали технологию, которая позволяет увидеть, что происходит с металлом во время лазерной сварки
Специалисты Института теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича (ИТПМ), Института ядерной физики имени Г. И. Будкера (ИЯФ) и Института химии твердого тела и механохимии провели серию экспериментов в Центре коллективного пользования «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения». Этот центр создан на базе лабораторий ИЯФ и имеет статус открытой лаборатории, в деятельности которой могут принимать участие российские и зарубежные организации и ученые. Основой для деятельности Центра являются накопители электронов/позитронов ВЭПП-3 и ВЭПП-4М — источники синхротронного излучения, и новосибирский лазер на свободных электронах — источник терагерцового излучения.
«Сочетание высокоинтенсивного источника излучения в жестком рентгеновском диапазоне и лазерного пучка позволило нам разработать методику изучения изменения структуры металлов с высоким временным разрешением», — отмечает старший научный сотрудник ИЯФ Константин Купер. Ученые проводили рентгеноструктурный анализ материала сварочной ванны с разрешением 0,5 миллисекунды, что позволяет изучить всю последовательность кристаллизации металлических сплавов, возникающих во время лазерной сварки, и отработать те режимы лазерной сварки, при которых не успевают развиться процессы, снижающие прочность шва.
Эксперименты проводились на сплаве алюминия и лития, который активно изучается в мировом авиастроении, поскольку в перспективе может позволить перейти от традиционной для сшивки частей фюзеляжа и крыльев самолета технологии клепки металла к сварным соединениям. «Однако в настоящий момент одной из основных проблем является низкий уровень прочности сварного шва по сравнению с основным материалом. Это связано с изменением структуры материала, возникающим при быстром его нагреве лазерным излучением, и процессами, происходящими во время последующего остывания, кристаллизации сплава», — говорится в сообщении.
Лазерная сварка, в отличие от классических способов, обладает уникальным свойством — кинжальным проплавлением. Благодаря применению наночастиц специальной керамики, которые перемешиваются с материалом в расплаве и становятся центрами кристаллизации, удается избежать образования длинных кристаллов-дендритов, и прочность соединения увеличивается в несколько раз. В авиастроении этот метод в перспективе позволит перейти от клепаных соединений к сварным, что сделает самолет легче и дешевле в производстве и эксплуатации.