Валерий Агеев
|
|
В конце 1886 года русский инженер Николай Бенардос получил патент на «способ соединения... металлов непосредственным действием электрического тока». Фото с сайта www.weld.vstu.ru |
Перед разработчиками современных летательных аппаратов стоит задача максимального облегчения конструкций при сохранении их прочностных характеристик. Проектирование и производство самолетов, приборов управления полетом выполняются с учетом чрезвычайно жестких условий их эксплуатации: высокие скорости, многократно повторяющиеся пиковые нагрузки, форсированные режимы эксплуатации, перепады температур, аэродинамический нагрев и т.д. Одновременно решается задача оптимизации и минимизации массы, обеспечения качества и надежности работы конструкции и ее агрегатов.
Способ соединения
Применение кузнечной сварки восходит к эпохе неолита и в дальнейшем совершенствовалось скифскими и сарматскими племенами и металлургами Древней Руси (Х–ХIII века). Не случайно в греческой мифологии был бог огня Гефест – искусный кузнец, покровитель кузнечного ремесла, изобретений, изготовитель молний Зевса.
Сварку и позднее пайку различными припоями и покрытия благородными металлами использовали в основном при изготовлении вооружения и в ювелирном деле. В XIX веке кузнечная сварка находит в производстве сварных труб с прямолинейным нахлесточным швом.
В конце XIX века на основе достижений в области физики и электротехники в развитии сварки произошел технологический скачок. За очень короткий период был разработан ряд новых способов сварки: дуговая неплавящимся (угольным) и плавящимся электродом.
До настоящего времени источником нагрева самого распространенного способа сварки служит электрическая дуга. Честь открытия явления электродугового разряда (не считая молнии) принадлежит русскому ученому академику Василию Петрову (1803 г.).
Почти одновременно с созданием самолета Можайского, в конце 1886 года, русский инженер Николай Бенардос получил патент на «способ соединения... металлов непосредственным действием электрического тока». Так был создан способ дуговой сварки, который в современном сварочном производстве занимает первое место и с помощью которого создается более 90% сварных конструкций. Бенардос разработал не только технологию сварки, но и типы сварных соединений, применяемых и в настоящее время.
Современником Бенардоса был и другой крупнейший изобретатель, русский инженер Николай Славянов. Обладая глубокими знаниями металлургии и электротехники, он разработал способ дуговой сварки металлическим плавящимся электродом с защитой сварочной ванны флюсом и механизм полуавтоматической подачи присадочной проволоки.
В конце Второй мировой войны человечество узнало об абсолютно новом оружии – атомном. В изготовлении атомных бомб тоже не обошлось без сварки. Корпуса атомных бомб представляли собой сварную обечайку – цилиндр, к которому приварено днище. Внутри располагались четыре контейнера. Корпус изготавливали из стальных листов толщиной 6 и 8 мм. Продольные и кольцевые швы выполняли автоматической сваркой под флюсом за два прохода электродной проволокой диаметром 4 мм. Скорость сварки составляла 1 м/мин, сварочный ток – 650 А, напряжение дуги – 31 В. Оборудование и технология были разработаны фирмой «Линкольн электрик» (Кливленд, Огайо).
Применение автоматической сварки под флюсом сократило срок изготовления корпусов бомб на 30 дней по сравнению с теми сроками, которые планировали при других технологиях.
Два километра швов
Продолжая работы по совершенствованию истребителя МиГ-21, советский авиаконструктор Артем Микоян принял решение о создании следующей машины, в дальнейшем получившей название МиГ-25. Этот истребитель предназначен для использования в качестве скоростного высотного разведчика и истребителя-перехватчика.
6 марта 1964 года состоялся первый полет цельносварного самолета МиГ-25. Принятое на стадии проектирования решение, что сварка будет основным технологическим процессом соединения элементов конструкции самолета МиГ-25, определило выбор материалов. В конструкции фюзеляжа, крыла и оперения были применены разработанные Всесоюзным институтом авиационных материалов (ВИАМ) высокопрочные нержавеющие стали: ВНС-2, ВНС-5, СН-3, ЭИ878, ЭИ-703, ЗОХГСА, 30ХГСН2А, ВЛ-1 и ЭИ643, титановые сплавы ОТ4–1, ВТ-20, ВТ-22 и деформируемый теплопрочный алюминиевый сплав Д-19. Эти сплавы обладают хорошей свариваемостью.
Объем сварочных работ характеризуется следующими показателями: роликовая сварка – 1300 м; аргонодуговая сварка – 400 м; газовая сварка – 113 м; дуговая сварка – 32 м (штучными электродами). Объем сварки впечатляет. Вдоль этих швов пешком идти – часа два.
Через 11 лет был спроектирован и изготовлен истребитель-перехватчик нового поколения МиГ-31. ОКБ им. А.И. Микояна приступило к проектированию МиГ-31 в 1972 году, а в 1975 году состоялся первый полет нового самолета.
Основные конструкционные материалы, более 50% по массе, – высокопрочные нержавеющие стали; титан – 16% и жаропрочные алюминиевые сплавы – до 33%. Можно заметить, что по сравнению с МиГ-25 уменьшено применение сталей за счет увеличения использования алюминиевых и титановых сплавов. Тем не менее и на нем широко применялась сварка.
|
|
На истребителе МиГ-29 выполнение более 88% сварных швов автоматизировано. В цехе сборки многоцелевых истребителей МиГ-29. Фото РИА Новости |
Титаноемкая отрасль
Авиастроение – наиболее титаноемкая отрасль промышленности. Титановый лист используется для изготовления винтов двигателей, корпусов, крыльев, двигателей, обшивки, трубопроводов, крепежа и многого другого. В несущей конструкции (планере) современного гражданского самолета применяется 15–20% титановых деталей. Например, Ил-76 и Ил-76Т имеют 15% титановых деталей от общей массы планера, а при производстве Boeing нового типа 787 Dreamliner титановые прутки ВТ16 из России используются в 30% сборочных узлов посадочных устройств самолета.
И это не случайно. В конструкциях современных самолетов все больше композитных материалов. Соответственно требуется металл, который не корродирует при взаимодействии с ними. Титановые сплавы ВТ23, ВТ23М идеально отвечают этим требованиям, обеспечивают авиалайнерам снижение веса и стоимости конструкции на 20–30%, повышает их эксплуатационную надежность на 25–35%.
Титан также широко применяется в военной авиации, в частности в конструкции штурмовика Су-25. Самолет имеет сварную кабину из титановой брони, хорошо защищающую пилота. За 60 тыс. часов боевых вылетов в Афганистане было потеряно всего 20 машин, что считается очень хорошим показателем. Титановая кабина позволяла выжить пилоту даже в тех случаях, когда сам штурмовик практически разваливался, пораженный с земли. Кабина пилота имеет бронированный корпус в форме ванны из сварных титановых листов. Направляющие для катапультного кресла установлены на задней стенке кабины. В бронировании кабины используется титановая броня АБВТ-20 толщиной от 10 до 24 мм.
Другой уникальный по своим характеристикам боевой самолет – ударно-разведывательный бомбардировщик-ракетоносец ОКБ Сухого Т-4 («изделие 100», или «сотка»). На Западе он считается советским аналогом более раннего американского бомбардировщика-ракетоносца XB-70 «Валькирия» и называется соответственно «Русская Валькирия». Т-4 предназначался для уничтожения авианосных ударных групп противника и ведения стратегической разведки.
Отличительная особенность проекта Т-4 – обеспечение высокой скорости полета, до 3200 км/ч, что значительно снижало уязвимость самолета от средств ПВО противника. В условиях эксплуатации на таких скоростях, вследствие разогрева некоторых частей планера до 300 °С, потребовались материалы и конструкции, исключающие снижение прочности и обеспечивающие компенсацию температурных напряжений, вызванных неравномерным нагревом конструкции. Решение этой задачи привело к созданию новых нержавеющих и жаропрочных сталей, сплавов титана и целой группы новых неметаллических материалов, а также лаков и клеев.
Основными материалами были определены титановые сплавы и стали. В ВИАМ был разработан титановый сплав ВТ22 нового класса. Он рекомендовался для изготовления высоконагруженных деталей и конструкций сечением до 200 мм.
Большую роль играла технологичность нового материала – свариваемость, возможность применения химической обработки, пластичность при горячей и холодной деформации. Широкое использование деталей крепления из титанового сплава позволяло снизить их вес в 1,7 раза по сравнению со стальными.
Значительную долю работ при создании ударно-разведывательного самолета Т-4 занимали исследования по отработке технологий получения и сварки титановых сплавов ВТ-20, ВТ-22, ОТ-4 и легированных сталей ВНС-2 и ВНС-3. В совместной работе ВИАМ и ОКБ П.О. Сухого были получены уникальные технологии, которые удешевляли производство титана настолько, что оно приближалось к стоимости алюминиевых сплавов. Тушинским машиностроительным заводом (ТМЗ) все процессы были максимально автоматизированы. Станки-автоматы были доведены до уровня ЧПУ (программирование рабочих функций, применение ЭВМ).
Разработана и изготовлена сварная конструкция планера из титана и высокопрочной нержавеющей стали ВНС-2 с применением точечной и аргонно-дуговой сварки, в том числе автоматической, до 92% от общего объема. Разработан метод автоматической сварки сквозным проплавлением, обеспечивающим изготовление крупногабаритных ребристых панелей из листа. Эти изделия нашли применение в конструкции крыла, фюзеляжа и оперения. Для трубопроводов высокого давления применены нержавеющая сталь ВНС-2 и титановые сплавы.
Цельносварные конструкции
Реализуя присущие МиГ-29 возможности дальнейшего развития, был создан вариант МиГ-29М. В нем воплощены достижения в области материаловедения, двигателестроения и электроники конца 1980-х годов. Аэродинамика самолета практически полностью сохранилась, но конструкция претерпела существенные изменения. Передняя часть фюзеляжа, включая кабину и баковые отсеки, изготовлены из свариваемого алюминиево-литиевого сплава, что позволило значительно снизить вес головной части фюзеляжа. Снижение веса достигло 24% (12% – за счет меньшего удельного веса металла и 12% – за счет ликвидации нахлесток, герметика, крепежа и т.п.). И уже на базе МиГ-29М создан корабельный вариант истребителя – МиГ-29К с усиленной хвостовой частью фюзеляжа и сварной конструкцией посадочного устройства. А в 1986 году были выпущены 3 МиГ-29 практически полностью цельносварные.
Сварка позволяет получать герметичные монолитные детали и узлы, в которых отсутствуют конструктивные концентраторы напряжений в виде крепежа и отверстий под крепеж, и создавать конструкции с оптимальным с точки зрения прочности и ресурса распредлением нагрузок. Кроме того, сварка позволяет сочетать заготовки, полученные различными технологическими способами, например литьем и штамповкой. С помощью сварочных технологий можно получать герметичные баковые отсеки и при этом снизить вес конструкции за счет исключения герметиков, нахлесток и крепежных элементов.
Каждый из фрагментов сварного узла может быть изготовлен оптимальным способом: точным литьем, механообработкой. Сварка позволяет увеличить коэффициент использования металла (отношение веса детали к весу заготовки), снизить объем механической обработки и удешевить производство.
При этом обеспечивается герметичность уже на стадии образования соединения, поэтому не требуется каких-либо дополнительных мероприятий, кроме контрольных. В случае обнаружения возникновения негерметичностей в процессе эксплуатации, в том числе и боевых повреждений, ремонт представляет собой несложную технологическую операцию.
Опыт производства сварных конструкций показал, что при правильном проектировании и необходимой подготовке процессы сварки могут быть практически полностью автоматизированы. Так, на истребителе МиГ-29 выполнение более 88% сварных швов автоматизировано, на МиГ-29М при сварке топливных емкостей уровень автоматизации сварки достиг 95%.
Американские авиаконструкторы ранее весьма осторожно относились к применению сварки в конструкциях самолета. Современное отношение к применению сварки в самолетостроении демонстрируют руководители программы производства истребителя F-22. По сообщениям западной печати, инженеры аэрокосмических и военных подразделений на заводах фирмы Boing в Сиэтле с целью получения надежных самолетов готовятся производить надежные сварные титановые конструкции с одновременным снижением стоимости производства и веса конструкции.
Инженеры фирмы Boing выполнили 37-месячную программу проекта по сварке титана. Руководители этой программы отмечают, что в самолете F-22 значительный объем составляет сварка титана. Кроме шпангоута фюзеляжа еще две большие сварные конструкции – передний и задний лонжероны длиной по 5 футов каждый.
Достижения в технологии сварки титана специалисты намерены использовать как в производстве, так и в ремонтных работах на производстве и в эксплуатации.
Но не все так гладко и просто. Несмотря на широкие возможности процессов сварки и пайки, существует ряд проблем в авиастроении, которые не могут быть решены с их помощью. Так, например, нельзя в большинстве случаев непосредственно соединять методами сварки разнородные материалы, например Ti + St, Ti + Al, St и Al и другие сочетания.
Кроме того, существует ряд высокопрочных, достаточно надежных материалов, которые обладают неудовлетворительной свариваемостью и их нельзя применять в сварных конструкциях. Например, это ряд сверхпрочных сталей, некоторые алюминиевые сплавы, жаропрочные титановые сплавы и т.п.
Также практически нельзя применять для ресурсных конструкций нахлесточные точечные и роликовые соединения для материалов, склонных к коррозионному разрушению и требующих дополнительной защиты. В сварных швах даже хорошо сваривающихся материалов наблюдается порой некоторое снижение прочности. Всегда сохраняется вероятность появления дефектов в литом металле, что требует проведения дополнительного контроля и некоторого утолщения зоны сварного шва.
Да, титан давно используют в сварных соединениях. Но процесс сварки проходит только в среде инертного газа, и сваренная деталь потом требует специфического отжига под вакуумом. Это делает процесс даже не золотым, а платиновым.
Тем не менее сварка применяется не только в самолетных конструкциях. Опыт создания авиационных алюминиевых сварных конструкций может оказаться весьма привлекательным и для, например, автомобильной или судостроительной промышленности.
