Специалисты Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича (ИТПМ СО РАН) совместно с коллегами из Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (ИХТТМ СО РАН) собираются провести исследования с помощью синхротронного излучения, которые позволят изучить структуру металла во время лазерной сварки.. Задача ученых – понять, что происходит с металлическими сплавами в момент перехода (несколько миллисекунд) из жидкого состояния в твердое. Подобные знания необходимы для разработок в сфере самолетостроения, например, для более технологичного способа сборки частей фюзеляжа и для развития аддитивных технологий. Эксперименты проводятся в Центре коллективного пользования «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения» (ЦКП «СЦСТИ») ИЯФ СО РАН.

В настоящее время алюминий-литиевые сплавы широко применяются в мировом авиастроении для создания перспективных летательных аппаратов с улучшенными техническими характеристиками. Главное преимущество этих сплавов в том, что их можно сваривать, перейдя таким образом 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 связанно с изменением структуры материала, возникающем при быстром его нагреве лазерным излучением и процессами, происходящими во время последующего остывания, кристаллизации сплава.

«При сварке металлических деталей в зоне плавления происходит изменение распределения примесей, что приводит к качественным изменениям прочностных характеристик материала, – рассказывает старший научный сотрудник ИХТТМ СО РАН, кандидат химических наук Алексей Анчаров. – Он становится менее прочным, более твердым и, следовательно, подвержен быстрому распространению трещин в шовном материале. Наша задача состоит в том, чтобы понять, что происходит в зоне плавления, как перераспределяются примеси, какие они образуют соединения, какие интерметаллические фазы проходят, и отработать те режимы лазерной сварки, при которых все эти процессы не успевали бы развиться».

Бункер СИ ИЯФ СО РАН. Фотография Светланы Ерыгиной.

По словам заведующего лабораторией лазерных технологий ИТПМ СО РАН, кандидата технических наук Александра Маликова, актуальность таких работ для нашей страны определяется тем, что на сегодняшний момент при создании как пассажирских, так и военных самолетов в России лазерная сварка в качестве технологической операции на авиационных заводах не внедрена. «Внедрение данной технологи в авиакосмической промышленности, при создании определенных конструкции, применяющихся в сборке различных частей самолетов и ракет, позволит увеличить производительность процесса приблизительно в 30 раз, а также создать новые высокотехнологичные рабочие места, снизить себестоимость продукции и понизить вредные факторы на производстве за счет замены технологии заклепочного соединения на технологию сварки», – добавляет Александр Маликов.

Чтобы отработать технологию, которая позволит изучить структуру металла во время лазерной сварки, была проведена серия экспериментов на пользовательской станции «Фазоконтрастная рентгеноскопия и рентгено-флуоресцентный анализ в жестком спектре СИ» ЦКП «СЦСТИ».

«Сочетание высокоинтенсивного источника излучения в «жестком» рентгеновском диапазоне и лазерного пучка позволило нам разработать методику изучения изменения структуры металлов с высоким временным разрешением», – рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Константин Купер. – Суть эксперимента заключается в том, что мы проводим рентгеноструктурный анализ материала сварочной ванны с разрешением 0.5 миллисекунд, что позволяет нам изучить всю последовательность кристаллизации металлических сплавов, возникающих во время лазерной сварки».

Центр коллективного пользования «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения» (ЦКП «СЦСТИ») специализируется на фундаментальных и прикладных работах, связанных с использованием пучков синхротронного и терагерцового излучения, на разработке и создании экспериментальной аппаратуры и оборудования для таких работ, на разработке и создании специализированных источников синхротронного и терагерцового излучения. Ежегодно Центр предоставляет услуги по профилю своей деятельности десяткам российских (СО РАН, РАН и пр.) и зарубежных организаций.