Введение

Идея создания сверхзвукового пассажирского самолета возникла в конце1950-х гг. В то время сверхзвуковые самолеты считали перспективным направлением развития авиации. Такие самолеты могли бы значительно сократить продолжительность перелетов на дальние расстояния, что было особенно актуально для обеспечения более высокой транспортной связности между различными регионами. Однако развитие данного направления ограничивалось рядом технических проблем, основной из которых стало создание двигателя, работающего на сверхзвуковых скоростях и при этом достаточно экономичного. Кроме того, возникли проблемы с созданием конструкции самолета, которая могла бы выдержать большие нагрузки, возникающие при полете на сверхзвуковых скоростях. Тем не менее в начале 1970-х гг. созданы первые сверхзвуковые пассажирские самолеты, такие как «Конкорд» и Ту-144, которые успешно использовали для перевозки людей. Однако из-за высоких затрат на топливо и обслуживание их эксплуатация была дорогостоящей. Кроме того, причиной ограниченного использования сверхзвуковых самолетов стали экологические проблемы. Сегодня сверхзвуковые пассажирские самолеты практически не используют, авиакомпании предпочитают им дозвуковые пассажирские самолеты, которые имеют более высокую экономическую эффективность и в меньшей степени воздействуют на окружающую среду.

Тем не менее дальнейшее усовершенствование гражданских сверхзвуковых пассажирских самолетов снова актуально. В основу отечественных перспективных разработок, по-видимому, будет положен опыт создания самолетов Ту-144, «Конкорд» и Ту-160. При этом необходимо решить вопрос, связанный с экологическими требованиями к гражданским самолетам подобного класса. Кроме того, полет самолетов со сверхзвуковой скоростью приводит к возникновению аэродинамического нагрева, а значит, повышению температуры фюзеляжа до 120–160 °С. Учитывая этот фактор, необходимо уделять особое внимание вопросу выбора материала для изготовления фюзеляжа. Материал должен не только отличаться устойчивостью к высоким температурам, но и обеспечивать высокую весовую эффективность и технологичность, в том числе при различных способах создания неразъемных соединений [1–11]. Применение сварки в элементах фюзеляжа сверхзвуковых самолетов из жаропрочных алюминиевых сплавов позволит снизить трудоемкость изготовления и металлоемкость, повысить весовую эффективность, ресурсные характеристики и, как следствие, экономические показатели изделий новой техники [12–24].

В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработан ряд современных технологий создания неразъемных соединений, для оценки работоспособности которых в элементах фюзеляжа изделий авиационной отрасли необходимо получить положительный опыт их испытаний в условиях, приближенных к эксплуатационным [25–28]. Ведь сварной шов является значительным концентратором напряжений, который может спровоцировать усталостное разрушение конструкции [8]. Научный и практический интерес представляет исследование влияния различных концентраторов напряжений на ресурсные характеристики сварных соединений, поскольку в большинстве случаев усталостные разрушения возникают именно в данных местах.

Материалы и методы

Исследованы сварные соединения листов жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151 толщиной от 1,5 до 2 мм. Перед сваркой проводили химическое травление заготовок и присадочных проволок.

Для сварки трением с перемешиванием (СТП) применяли серийный сварочный инструмент с диаметром заплечика 12 мм. Сварку проводили в режиме контролируемого заглубления инструмента на 0,1–0,2 мм. Исходные листовые заготовки сваривали по длине ~400 мм для последующего удаления зон входа и выхода инструмента. Непосредственно перед лазерной сваркой (ЛС) проводили шабрение соединяемых поверхностей листовых заготовок конструктивно-подобных образцов (КПО). Фиксацию заготовок КПО обеспечивали оснасткой и прихватами, выполненными ЛС.

Операции ЛС и СТП проводили по разработанным технологиям, обеспечивающим уровни свойств, указанных в табл. 1.

Таблица 1

Свойства сварных соединений жаропрочных алюминиевых сплавов 1151 и В-1213

 в поперечном направлении, выполненных лазерной сваркой (ЛС)

и сваркой трением с перемешиванием (СТП)

Разработанные технологии обеспечивают высокий уровень свойств сварных соединений, позволяющий не проводить послесварочную термическую обработку, которая может привести к нежелательным поводкам и деформациям крупногабаритных конструкций элементов фюзеляжа.

По разработанным технологиям изготовлены сварные КПО элементов фюзеляжа из жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151. Рентгеновскую компьютерную томографию сварных заготовок КПО проводили в соответствии с ТР 1.2.2961–2021. Работы по неразрушающему контролю выполнены при поддержке Министерства науки и высшего образования России (Соглашение № 075-11-2021-085 от 22.12.2021). После проведения томографии КПО механически обрабатывали для получения необходимых габаритных размеров. Кроме того, со сварного шва КПО механическим способом удаляли проплав и усиление, чтобы уменьшить влияние вида сварных швов, полученных
с помощью ЛС и СТП.

Конструкторы ПАО «Туполев» разработали чертежи плоских сварных КПО элементов фюзеляжа сверхзвуковых пассажирских самолетов, предназначенных для статических и усталостных испытаний и позволяющих подтвердить возможность безопасного применения сварных конструкций.

Анализ конструкции фюзеляжа позволил выбрать элементы, для которых клепаное соединение потенциально можно заменить на сварное. Определены размеры и расположение надрезов на сварных швах КПО для оценки живучести (остаточной циклической долговечности до разрушения) сварной конструкции. В качестве концентраторов напряжений (имитаторов трещин) надрезы наносили в металле шва и околошовной зоны (табл. 2).

Таблица 2

Эскизы конструктивно-подобных образцов (КПО) из сплавов 1151 и В-1213, выполненных с использованием лазерной сварки и сварки трением с перемешиванием

Испытания сварных КПО на кратковременную прочность проводили согласно ГОСТ 6996–66, малоцикловую усталость (МЦУ) – в соответствии с ГОСТ 25.502–79 при отнулевом цикле нагружения с частотой ≤50 Гц, R = 0,1 и уровнями максимальных напряжений цикла (σ_max) 80, 110, 140, 157, 215 и 305 МПа. Для проведения сравнительного анализа сварных КПО, выполненных с помощью СТП и ЛС, использовали идентичные уровни нагружения.

Живучесть сварных соединений жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151 с привнесенным и регламентированным концентратором напряжений исследовали на образцах размером 100×340 мм с зачищенным проплавом и усилением [14, 15].

Для оценки влияния сварочно-термического цикла проводили замеры микротвердости сварных соединений на поперечных шлифах по центральной линии (на середине толщины), нулевая точка принята в центре шва, шаг замеров 1 мм.

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

Результаты и обсуждение

Сварка (СТП и ЛС) образцов проведена по отработанным ранее режимам. Томографический и визуальный контроль показал, что сформированы бездефектные сварные швы.

Результаты испытаний на кратковременную прочность плоских сварных КПО элементов фюзеляжа из жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151, полученных с помощью ЛС и СТП, представлены в табл. 3.

Таблица 3

Кратковременная прочность (средние значения) различных типов плоских сварных конструктивно-подобных образцов (КПО) из сплавов 1151 и В-1213 со стрингером

Кратковременная прочность КПО из сплава 1151, полученного методом точечной СТП, на 13 % превышает данный показатель для КПО с непрерывным швом, выполненным ЛС, и сопоставима с прочностью КПО с прерывистым симметричным швом. Кратковременная прочность КПО из сплава В-1213 со стрингером, выполненного методом точечной СТП, меньше прочности КПО, полученных с использованием ЛС, с прерывистым несимметричным и симметричным швом на 4 и 9 % соответственно и сопоставима с прочностью КПО с непрерывным швом.

Наибольшая кратковременная прочность зафиксирована для КПО из сплава В-1213 с прерывистым несимметричным и симметричным швом, выполненных методом ЛС, а также для КПО из сплава 1151, полученного с помощью точечной СТП, что подтверждает тезис о наименьшем разупрочнении термически упрочненного металла околошовной зоны под воздействием термического цикла сварки.

Определена микротвердость на поперечных шлифах сварных соединений фрагментов КПО. Показано, что литая структура сварного шва, выполненного ЛС, обладает меньшей микротвердостью по сравнению со швом, полученным методом СТП. В то же время жесткий термический цикл ЛС позволяет сократить ширину зоны термического влияния на 2–3 мм (рис. 1).

Рис. 1. Распределение микротвердости (HV1) сварных соединений жаропрочных алюминиевых сплавов 1151 (а) и В-1213 (б), полученных методами лазерной сварки (ЛС) и сварки трением с перемешиванием (СТП), в зависимости от расстояния от центра шва (x)

Образцы с нахлесточным соединением имели ожидаемо низкие значения прочности, так как при приложении разрывной нагрузки сварной шов данного типа работает на срез (табл. 4). Испытания КПО, полученных методом ЛС, с нахлесточным соединением не проводили из-за высокой склонности к пористости.

Однократная ремонтная подварка методом СТП сплава 1151 приводит к снижению прочности на 12 %, МЦУ – в 5 раз. После ремонтной подварки КПО из сплава В-1213 прочность уменьшается на 11 %, МЦУ – в 2,8 раза.

Эффект значительного снижения МЦУ сварного соединения при СТП связан с возникновением концентратора напряжения от утонения металла шва при повторных воздействиях сварочного инструмента. При этом значительно занижается верхняя часть шва, что обусловлено вытеснением металла шва в грат [24].

За счет вторичного воздействия сварочно-термического цикла после ремонтной подварки методом ЛС прочность сварных соединений из сплавов 1151 и В-1213 уменьшается на 8 %.

Значения кратковременной прочности и МЦУ (табл. 4, рис. 2) для КПО с двойным проходом (ремонт дефектов сварки) коррелируют со значениями, полученными для элементарных образцов (табл. 1).

Таблица 4

Кратковременная прочность (средние значения) различных типов плоских сварных конструктивно-подобных образцов (КПО) из сплавов 1151 и В-1213

Рис. 2. Циклическая долговечность до разрушения конструктивно-подобных образцов из сплавов 1151 и В-1213, выполненных методами сварки трением с перемешиванием (СТП) и лазерной сварки (ЛС), с ремонтным проходом (а), с концентраторами напряжений по шву (б) и по зоне термического воздействия (в)

Наличие надрезов на сварных КПО (как по шву, так и по зоне термического влияния) является причиной высокой чувствительности сварных швов алюминиевых сплавов В-1213 и 1151 к концентраторам напряжений. Так, установлены значительные различия значений циклической долговечности до разрушения КПО, выполненных с надрезом и без надреза.

Расположение надреза также предопределяет значение циклической долговечности. Величина МЦУ при нанесении надреза по границе шва меньше, чем при наличии надреза по центру шва. В обоих случаях усталостная трещина от надреза распространяется, как правило, к границе шва, т. е. по зоне термомеханического воздействия. Данные о снижении уровня ресурсных характеристик КПО с надрезом, имитирующим трещину, необходимы для оценки запаса прочности сварных конструкций элементов планера при проектировании.

Проведены испытания на МЦУ плоских сварных КПО элементов фюзеляжа из жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151, выполненных методами ЛС и СТП (рис. 3).

Наиболее высокими значениями прочности и МЦУ обладают КПО со стрингером, которые соединяются с помощью СТП, имитирующей клепку. При этом сварка проводится не на всю толщину заготовки обшивки, обратная сторона КПО и, соответственно, лицевая сторона фюзеляжа планера остаются практически без воздействия.

Рис. 3. Циклическая долговечность до разрушения сварных конструктивно-подобных образцов из сплавов 1151 и В-1213 со стрингером, выполненных методом лазерной сварки в различной конфигурации (а, б) и методом точечной сварки трением с перемешиванием (в)

Заключения

Разработаны технологии ЛС и СТП, обеспечивающие высокий уровень свойств сварных соединений. Это позволяет не проводить послесварочную термическую обработку, которая может привести к нежелательным поводкам и деформациям крупногабаритных конструкций элементов фюзеляжа.

Установлена высокая чувствительность сварных соединений алюминиевых сплавов В-1213 и 1151 к концентраторам напряжений. Так, разница в циклической долговечности до разрушения на сварных КПО, выполненных с использованием ЛС, с надрезом (вне зависимости от его расположения) может быть десятикратной в сравнении с образцами без надреза. В этой связи необходимо оценивать влияние дополнительных технологических мероприятий по повышению живучести сварных соединений жаропрочных алюминиевых сплавов.

Наиболее высокими значениями прочности и МЦУ обладают КПО со стрингером, полученные методами ЛС и СТП. Выполнено соединение стрингера методом СТП, имитирующим клепку, практически без воздействия на обратную сторону КПО. Оценка возможности замены клепаного соединения сварным для данного типа КПО требует дальнейших исследований.