Неразъемные соединения легких сплавов в авиационных конструкциях
Основными способами производства неразъемных соединений в авиационной технике являются: клепка, склеивание и сварка. Поэтому целесообразно рассмотреть основные особенности, преимущества и недостатки этих способов создания неразъемных соединений в конструкциях.
До настоящего времени клепка является одним из наиболее распространенных способов получения неразъемных соединений, особенно - из алюминиевых сплавов малой толщины (0,8…3,0 мм). Процесс клепки заключается в осаждении выступающей части стержня заклепки и формировании из нее замыкающей головки требуемой формы и размера. Технология соединения деталей заклепками состоит из следующих основных операций: сверление отверстий под заклепки, зенкование или штамповка гнезд под закладную головку заклепки (при потайной клепке); вставка заклепки в отверстие; натяжка склепываемых деталей и образование замыкающей головки, т.е. собственно клепки, и контроль качества соединений. Для соединения деталей из алюминиевых и магниевых сплавов применяют холодную клепку, при которой заклепки не нагревают.
Традиционный процесс клепки, при котором сначала сверлят все отверстия, а затем в них вставляют заклепки с закладными головками, имеет весьма существенные недостатки. При постановке заклепок в предварительно просверленные в большом количестве отверстия часто имеет место несовпадение отверстий за счет взаимного смещения деталей в пакете, образование хлопунов, распирающих усилий, возникающих при образовании замыкающих головок заклепок и т.д. Клепанные соединения весьма сложно герметизировать. В процессе эксплуатации происходит разбалтывание клепанных соединений, что приводит к утечке воздуха или рабочих жидкостей. Причем, утечка через заклепочные швы происходит не только через зазоры между соединяемыми деталями, но и через зазоры между отверстием и стержнем заклепки.
Применение клепанных соединений увеличивает вес конструкций вследствие наличия закладных и замыкающих головок заклепок, общее количество которых в изделиях исчисляется тысячами и даже миллионами. При применении клепанных соединений практически невозможно получить гладкую поверхность внешних обводов изделий. При изготовлении конструкций из алюминиевых сплавов клепка анодированных деталей ведет к образованию вокруг заклепки сетки мелких радиальных трещин в анодной пленке, в результате чего снижается коррозионная стойкость и эксплуатационная надежность изделий. Необходимое для клепки сверление отверстий в обшивке и каркасе повышает концентрацию напряжений в соединении. В связи с этим клепанные конструкции, выполненные по вышерассмотренной технологии, значительно уступают клеевым и сварным по работоспособности, особенно при циклических нагрузках. Кроме того, ручная клепка нежелательна на производстве по санитарно-гигиеническим требованиям.
С учетом вышеуказанного традиционная клепка, со всеми присущими ей недостатками на современном уровне развития техники, не может полностью удовлетворять возросшим эксплуатационно-техническим требованиям.
В связи с этим в последние годы в зарубежной и в отечественной практике все более широкое применение находит новая технология клепки - так называемая клепка стержнями или заклепками с компенсатором. Основы этих процессов были разработаны американской фирмой "Джемкор". По этому процессу весь цикл постановки заклепок полностью автоматизирован. На специально разработанных автоматах последовательно осуществляется сверление, зенкование, постановка стержня, его расклепывание с двух сторон и удаление излишков материала стержня заподлицо с внешней поверхностью обшивки. Цикл постановки одной заклепки не превышает 4…6 с.
Применение клепки стержнями или заклепками с компенсатором обеспечивает значительное повышение циклической прочности (от 2…3-х раз) по сравнению с ранее применявшейся технологией клепки, кроме того, резко повышается надежность герметизации соединений.
Новая технология клепки, повышая отдельные характеристики соединения, не устраняет ряд недостатков, присущих клепке как процессу соединения деталей. Кроме того, появляются новые недостатки. В частности, стоимость оборудования для автоматической клепки стержнями весьма высока и составляет от 150 до 700 тысяч долларов за единицу. Требуется специальный высокоточный инструмент и весьма квалифицированное обслуживание. Стержень не имеет защитных химических покрытий, что ухудшает антикоррозионную защиту клепанных соединений. Полностью удалить излишки металла стержня после его расклепывания с нагруженной стороны соединения заподлицо с обшивкой не удается, поэтому получить гладкую поверхность внешних обводов невозможно. Клепка стержнями практически осуществима только на деталях с толщиной более 1,5…1,8 мм.
Склеивание является относительно новой и быстро развивающейся отраслью промышленной технологии. Широкое применение склеивания связано с существенными преимуществами, которые обеспечивают клеевые соединения по сравнению с традиционными видами соединений. Главным преимуществом является возможность надежного соединения с помощью клеев самых различных материалов (практически в любых сочетаниях). К числу этих материалов в первую очередь относятся алюминиевые и магниевые сплавы. В ряде случаев склеивание является единственно реальной возможностью соединения между собой различных по природе материалов. Особое значение имеют клеевые соединения металлов, которые, в отличие от заклепочных, сварных и болтовых соединений, не ослабляют прочности конструкций за счет наличия сварных швов или отверстий и позволяют получить высокую усталостную прочность.
При использовании клеев для изготовления тонколистовых конструкций достигаются значительные преимущества по весовым характеристикам по сравнению с заклепочными и болтовыми соединениями. Клееные конструкции имеют совершенно гладкую поверхность, очень малое коробление и обладают высокой коррозионной стойкостью. Силовые клеевые соединения широко и успешно применяются в конструкциях таких самолетов, как Боинг 747, Локхид L-1011, Ил-96-300, Ту-204 и др.
Склеиванию, однако, присущи и недостатки, большинство из которых связано с технологией. Основным недостатком клеевых соединений является низкая и нестабильная прочность при неравномерном отрыве. Это накладывает значительные ограничения при проектировании конструкций и сужает область применения клеевых соединений.
Серьезным препятствием для широкого внедрения склеивания являются трудоемкость обнаружения дефектов (особенно местных непроклеев) без разрушения конструкции. По технологии склеивание в большинстве случаев предусматривает общий нагрев деталей до 120…200 °С и довольно высокое давление (до 5…10 МПа), которое должно быть равномерно распределено по всей площади склеивания. Для широкой гаммы промышленных алюминиевых сплавов типа Д-16Т нагревы выше 100…120 °С недопустимы (с металлургической, эксплуатационной и коррозионной точек зрения), поэтому в этом случае большинство высокопрочных клеев не может быть использовано.
Для производства клеевых соединений необходимо создание сложного, громоздкого и дорогостоящего оборудования (например, автоклавов), применение которого может быть оправдано только при значительном объеме производства. Применение склеивания обусловливает очень высокие требования к процессу подготовки поверхности, состоянию окружающей среды (температура, влажность, закаленность) и к культуре производства. Даже весьма незначительные отклонения влажности, чистоты или температуры воздуха в цехе могут оказать существенное влияние на адгезионные характеристики клеев и, соответственно, - на качество клеевых соединений.
В связи с вышеуказанным склеивание как процесс создания неразъемных соединений пока используется только для изготовления ряда специальных узлов и панелей, особенно с сотовыми заполнителями.
Контактная точечная и шовная сварка представляют собой сложные термомеханические процессы образования неразъемного соединения, формирование которого происходит при определенных условиях нагрева и давления. Особенностью процессов контактной сварки является большая скорость нагрева и охлаждения места соединения, а также незначительный объем расплавленного металла. Контактная, точечная, шовная и рельефная сварка широко применяется при изготовлении самолетов, вертолетов, морских судов, железнодорожных вагонов, автомобилей и автобусов как в нашей стране, так и за рубежом.
В нашей стране контактная сварка в авиационных конструкциях впервые была применена на самолетах серии "Сталь-3, 5 и 7", затем в конструкции тяжелого бомбардировщика Ту-4. В настоящее время контактная сварка широко применяется в конструкциях самолетов и вертолетов: Як-18Т, Як-50, Як-52, Як-55, Як-40, Як-42, Бе-30, Ан-24, Ан-22, Ан-26, Ан-28, Ан-30, Ан-72, Ан-74, Ан-124, Ан-225, Ми 2, Ми 8, Ми 12, Ми 24, Ми 26. На больших транспортных самолетах имеется до 1,5 миллионов сварных точечных соединений и до 800 м шовной сварки. При изготовлении силовых конструкций полов фюзеляжей широко применяется рельефная сварка - до 100 тысяч соединений на одном изделии.
За рубежом также имеются примеры широкого применения контактной сварки. Например, в конструкции самолета "Арманьяк" (Франция) имеется 200 тысяч сварных точечных соединений, а в самолете "Каравелла" (Франция) - 300 тысяч сварных точек. В американских самолетах типа DC-3 (фирма "Дуглас") - до 10 тысяч сварных точечных соединений, а у самолетов КС-135 (фирма "Боинг") - до 50 тысяч соединений. В английских самолетах "Виктор" и "Герольд", производимых на заводе "Хедри Пейдж", имеется соответственно 600 и 58 тысяч сварных точечных соединений.
Соединения, выполненные контактной точечной и шовной сваркой, по ряду показателей, в частности по статической и циклической прочности, не уступают клепанным соединениям; в то же самое время они легче по массе, а по степени автоматизации и производительности процесса намного превосходят клепаные и клеевые соединения.
Контактная сварка — один из самых экономичных технологических процессов, полностью исключающих характерные профессиональные заболевания. Контактной сваркой хорошо свариваются все алюминиевые, магниевые и титановые сплавы, а также все типы сталей и сплавы на никелевой основе.
Большинство проблем технологии контактной сварки в настоящее время решены и подробно рассмотрены в ряде работ Б.Д. Орлова, А.И. Пугачева, В.Н. Ракчеева и др. Однако сварные точечные соединения имеют сравнительно невысокую прочность при усталостном нагружении. Кроме того, сварные точечные соединения обладают невысокой коррозионной стойкостью. Имеются значительные сложности при сварке разноименных и разнотолщинных соединений. Указанные недостатки серьезно сдерживают дальнейшее расширение применения сварных соединений в ответственных авиационных конструкциях.
Вышеприведенный сравнительный анализ всех неразъемных способов соединения в авиационных конструкциях показывает, что каждый из них имеет существенные преимущества наравне с определенными недостатками.
В данной работе предпринята попытка рассмотреть все еще нерешенные вопросы технологии контактной сварки. Это позволит значительно расширить области применения контактной точечной, шовной и рельефной сварки в авиационных конструкциях.
Это интересно
Для измерения водородного показателя pH применяется специальный прибор pH-метр. Водородный показатель показывает, какая концентрация водорода может находиться в воде, растворах, пищи и т.д. и количественно выражает их кислотность. Для кожи здорового человека pH=5,5; у морской воды pH=8,0; у чистой воды pH=7,0; для желудочного сока pH=1,0…2,0; у пива pH=4,5. Лабораторный прибор для измерения показателя pH основан на измерении электродвижущей силы системы электродов, пропорциональной активности ионов водорода в растворе. Т.е. по своей сути этот лабораторный прибор представляет собой вольтметр, тарированный в единицах pH. Данные приборы могут использоваться в микробиологии, химической промышленности, агрохимии, медицине, фармакологии, пищевой промышленности и т.д.
