Введение

Выбор конструкционного материала при создании нового самолета является наиболее приоритетной задачей. С начала 1960-х гг. в авиастроении широко использовали алюминиевый сплав типа Д16 и дальнейшие его модификации марок Д16ч. и 1163 с более жесткими ограничениями по содержанию примесей, скорректированным соотношением легирующих компонентов (Cu, Mg, Mn) и, соответственно, более высокой выносливостью и трещиностойкостью.

Однако уже на самых ранних этапах работы над проектом сверхзвуковых самолетов стало ясно, что создавать высокоресурсные конструкции, надежно работающие при повышенных температурах, можно только при переходе на другие конструкционные материалы, обеспечивающие длительную прочность при одновременном воздействии механических и температурных напряжений [1–4].

Основные особенности сверхзвукового пассажирского самолета, предопределяющие конструктивно-силовую схему планера, состоят в следующем:

– необычная аэродинамическая схема самолета – тонкое треугольное крыло и длинный, относительно тонкий фюзеляж;

– наличие аэродинамического температурного нагрева фюзеляжа;

– повышенные требования по весовой эффективности самолета;

– конструкция должна обеспечивать эксплуатацию самолета при достаточно больших проектных ресурсах.

Для сверхзвукового пассажирского самолета, эксплуатируемого длительно (в течение 30000 летных часов) при температурах нагрева конструкции до 120–160 °С, с учетом обеспечения его высокой весовой эффективности, вопрос выбора материала конструкции является самым важным. При создании самолета Ту-144 генеральный конструктор А.Н. Туполев лично занимался этой проблемой, уделяя много внимания конструкционным материалам, применяемым на этом самолете [5]. После интенсивных научно-исследовательских работ было принято решение сосредоточить усилия материаловедов на модификации алюминиевых теплостойких сплавов, которые применялись в двигателестроении для изготовления штампованных деталей [6].

При полете летательных аппаратов со сверхзвуковой скоростью повышается температура вблизи поверхности конструкции, а аэродинамический нагрев приводит к повышению температуры обшивки и всей конструкции (рис. 1). При этом температура внешнего слоя воздуха у обшивки является функцией от высоты и скорости полета самолета.

Рис. 1. Распределение температуры на верхней поверхности самолета «Конкорд» при скорости полета 2,2 Маха на высоте 18,25 км

Первыми сверхзвуковыми пассажирскими летательными аппаратами являются самолеты «Конкорд» и отличающийся от них оптимизированной конструктивно-силовой схемой самолет Ту-144, дальнейшим развитием которых может стать перспективный сверхзвуковой пассажирский самолет. Для достижения максимальных показателей по весовой эффективности для такого самолета помимо перспективных материалов требуются современные технологии создания неразъемных соединений из этих материалов. Известно, что сварка является наиболее эффективным способом соединения заготовок и элементов конструкций [7–9].

Конструкционные алюминиевые сплавы системы Аl–Cu–Мg, являющейся базисной композицией жаропрочных алюминиевых сплавов успешно применяются в узлах и деталях, работающих при повышенных температура и нагрузках, и обладают комплексом свойств, выгодно отличающих их от других сплавов дюралевой группы. К таким материалам относится сплав марки 1151, разработанный специалистами НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ (далее – ВИАМ), композиция которого основана на эквиатомном содержании меди и магния, обеспечивающих выделение диффузно-подвижной упрочняющей фазы S (Al₂CuMg). Особенность легирования сплава 1151 препятствует образованию внутренних напряжений в конструкциях при эксплуатации в связи с отсутствием процессов естественного старения. В ВИАМ разработан также сплав марки В-1213, легированный серебром, в котором при искусственном старении образуются выделения Ωʹ-фазы, повышающей прочностные характеристики и способствующей увеличению жаропрочности, вязкости разрушения и др. [10–16]. В то же время низкая стойкость к образованию горячих трещин сплавов этой системы обуславливает их ограниченную применяемость в сварных конструкциях.

Опыт специалистов ВИАМ в области технологий сварки показал, что повышение эксплуатационных характеристик соединений, изготовленных сваркой плавлением, возможно благодаря использованию наиболее энергоэффективных лучевых методов сварки, таких как лазерная. Высокая концентрация энергии и небольшое пятно нагрева, а также значительно меньшая зона термического влияния дают возможность улучшить свойства соединений [17, 18].

Таким образом, при разработке элементов фюзеляжа новых сверхзвуковых самолетов изучение особенностей лазерной сварки сплавов марок 1151 и В-1213  представляется актуальной задачей.

Материалы и методы

В данной работе проведены исследования стыковых и тавровых сварных соединений листов из сплавов 1151 и В-1213 с применением присадочных проволок марок Св-1201 (Аl–Cu) и Св-1177 (Аl–Cu–Мg). Соединения выполняли на роботизированном комплексе лазерной сварки Laser Wеld 8R60.

Повторные проходы лазерной сварки выполняли по уже выполненному шву с дефектом типа непровара, при этом увеличивали среднюю мощность излучения на 10 % для компенсации увеличившейся толщины шва. Повторные проходы лазерной сварки также проводили после полного остывания заготовки.

Совместно с конструкторами ПАО «Туполев» с учетом существующей конструкции фюзеляжа самолета Ту-144 разработаны чертежи сварных конструктивно-подобных образцов (КПО) элементов фюзеляжа, предназначенных для статических и усталостных испытаний. Анализ конструкции показал, что клепаное соединение потенциально возможно заменить лазерной сваркой в месте крепления стрингера к обшивке на панелях фюзеляжа. Исследование влияния конфигурации приварки стрингера к обшивке из жаропрочных алюминиевых сплавов 1151 и В-1213 проводили на сварных КПО размером 100×340 мм (табл. 1).

Таблица 1

Эскизы конструктивно-подобных образцов (КПО), выполненных лазерной сваркой

При лазерной сварке для обеспечения зазора в стыке не более 0,1 мм торец ножки стрингера подвергали фрезеровке. Сборку КПО проводили с помощью универсальной оснастки и прихваток, выполненных лазерной сваркой (рис. 2) на установке Laser Weld 8R60. Соединение усиливающих рамок выполняли контактной точечной сваркой.

Подготовка поверхности свариваемых деталей (стрингеров и основания панели) заключалась в проведении химического травления по ПИ 1.2.616–2003.

Рис. 2. Расстановка прихваток (а) и общий вид конструктивно-подобных образцов стрингерных панелей на роботизированном комплексе Laser Weld 8R60 (б)

Проведен визуальный и рентгенографический контроль сварных соединений, показавший отсутствие недопустимых дефектов сварных соединений при лазерной сварке по ГОСТ ISO 13919-2–2017. После осуществления рентгенографического контроля проведена последующая механическая обработка КПО.

Испытания плоских КПО на кратковременную прочность проводили по методике из ГОСТ 6996–66 с определением максимальной нагрузки и напряжения.

Испытания КПО стрингерных панелей осуществляли в шарнирной раме, обеспечивающей по всем кромкам равномерное распределение касательных усилий (рис. 3).

Рис. 3. Проведение испытаний сварных стрингерных панелей фюзеляжа

Статические испытания каждого типа КПО стрингерных панелей (по каждому из трех типов сварного шва, выполненного лазерной сваркой) проводили при одноосном растяжении до потери несущей способности с определением максимальной нагрузки P_max при скорости перемещения активного захвата 1–10 мм/мин.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Исследованы образцы сварных соединений и определены характеристики прочности, пластичности и малоцикловой усталости (МЦУ).

Соединения из сплава 1151, выполненные с присадкой Св-1177 (в сравнении с присадкой Св-1201), обладают прочностью сварных соединений до 0,83 от прочности основного металла и пластичностью ~30 г.

Соединения из сплава В-1213, выполненные с присадкой Св-1201 (в сравнении с присадкой Св-1177) обладают прочностью сварных соединений до 0,81 от прочности основного металла и пластичностью ~50 г (табл. 2).

Таблица 2

Свойства* образцов сварных соединений жаропрочных алюминиевых

сплавов 1151 и В-1213 в поперечном направлении, выполненных лазерной сваркой

Важнейшей ресурсной характеристикой сварных соединений является МЦУ, оценка которой проведена при лазерной сварке.

Сварные соединения из сплава В-1213, выполненные с присадкой Св-1201, достигают значений МЦУ: 83400 циклов. Соединения сплава 1151, выполненные с присадкой Св-1177, выдерживают всего 17750 циклов, что связано с результатами исследования свариваемости этих сплавов (табл. 3).

Таблица 3

Стойкость к образованию горячих трещин по ГОСТ 26389–84 для сплавов В-1213 и 1151

При проведении повторных проходов оценивали ремонтопригодность при лазерной сварке и их влияние на характеристики сварных соединений (табл. 4).

Результаты проведенных испытаний позволили установить, что второй проход снижает прочность соединений сплава 1151 на 8 % за счет повторного термического цикла сварки. Пластичность после второго прохода повышается на 19 % при двукратном снижении значений МЦУ (табл. 2), что связано с уширением сварного шва. Третий проход дополнительно разупрочняет соединение на 7 % при повышении пластичности на 14 %, при этом снижение значений МЦУ составляет ~20 %.

Таблица 4

Свойства* образцов сварных соединений, выполненных лазерной сваркой,

из жаропрочных алюминиевых сплавов 1151 и В-1213 в поперечном направлении

Два прохода лазерной сваркой сплава В-1213 снижает прочность сварных соединений на 8 % и пластичность – на 68 %. Применение зачистки шва повышает МЦУ в 2 раза. Третий проход разупрочняет соединение на 9 % при том же уровне пластичности.

Необходимо отметить значительное снижение как значений МЦУ, так и прочности сварных соединений после третьего прохода лазерной сваркой. Поэтому при разработке технологий и проведении лазерной сварки не следует применять более одной ремонтной подварки для ресурсных конструкций.

Результаты проведенных исследований позволили разработать технологии лазерной сварки применительно к элементам фюзеляжа, обеспечивающие для жаропрочного сплава 1151 прочность 0,83 от прочности основного металла, а для жаропрочного сплава В-1213 ‒ прочность 0,81 от прочности основного металла. По разработанным технологиям изготовлены сварные КПО с различными вариантами соединения стрингеров с обшивкой, а именно: с непрерывным и прерывистыми несимметричным и симметричным швами.

Результаты испытаний на кратковременную прочность и МЦУ плоских сварных КПО со стрингером представлены в табл. 5 и 6.

Таблица 5

Кратковременная прочность (средние значения) различных типов

плоских сварных конструктивно-подобных образцов со стрингером,

выполненных лазерной сваркой, из жаропрочных алюминиевых сплавов 1151 и В-1213

Анализ результатов испытаний показал, что максимальная кратковременная прочность сварных соединений для обоих исследуемых материалов достигается для варианта прерывистого симметричного шва, а минимальная – для непрерывного шва. Снижение прочности для сплошного шва связано с бόльшим тепловложением в сравнении с прерывистыми схемами приварки стрингера.

Проведены испытания на растяжение сварных стрингерных панелей из жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151, выполненных лазерной сваркой. Испытания каждой стрингерной панели при растяжении позволили определить максимальную нагрузку до потери несущей способности (P_max) для каждого типа КПО (табл. 6).

Таблица 6

Нагрузка при потере устойчивости и наработка до разрушения

сварных конструктивно-подобных образцов стрингерных панелей, выполненных
лазерной сваркой, из жаропрочных алюминиевых сплавов 1151 и В-1213

Установлено, что наибольшую нагрузку способны выдерживать панели из сплава 1151, выполненные лазерной сваркой непрерывным швом: 121,4 кН.

Заключения

Проектирование перспективного сверхзвукового пассажирского самолета невозможно без применения новых материалов и современных технологий сварки, таких как лазерная сварка, которую можно использовать при изготовлении сварных конструкций изделий авиационной техники из жаропрочных алюминиевых сплавов системы Аl–Cu–Мg.

Применение присадки Св-1177 при лазерной сварке сплава 1151 позволяет повысить прочность соединений до 0,83 от прочности основного металла, а для сплава В-1213 с присадкой Св-1201 аналогичная характеристика повышается с 0,75
до 0,81.

Установлено значительное снижение как значений МЦУ, так и уровня прочности сварных соединений после третьего прохода при лазерной сварке жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151, поэтому при проведении такой сварки следует применять не более одной ремонтной подварки в элементах ресурсных конструкций.

Максимальная кратковременная прочность сварных КПО достигается для варианта соединения стрингера с обшивкой прерывистым симметричным швом, а минимальная – для варианта непрерывного шва.

При исследовании влияния повторных проходов, имитирующих ремонт сварных соединений, на уровень прочности, пластичности и МЦУ получено значительное снижение как значений МЦУ, так и уровня прочности соединений после третьего прохода.

По чертежам КБ ПАО «Туполев» изготовлены КПО элементов фюзеляжа (КПО со стрингером и КПО стрингерных панелей) из жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151. Проведен рентгенографический контроль, показавший отсутствие дефектов в сварных соединениях, поэтому все КПО признаны годными.

Испытания при одноосном растяжении до потери несущей способности сварных стрингерных панелей из жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151 показали, что наибольшую нагрузку способны выдерживать панели из сплава 1151, выполненные непрерывным лазерным сварным швом: 121,4 кН.

Таким образом, для достижения более высоких показателей несущей способности сварной конструкции сварку панелей необходимо проводить непрерывным швом, если же необходимо минимизировать деформации, то целесообразно применение прерывистого симметричного шва.