Ученые Института теоретической и прикладной механики им. С.А.Христиановича СО РАН научились сваривать любые металлы
05.05.2012

shov.jpgСоединение кусков металла сваркой – технология привычная. Ворохи искр, очень характерный треск, который не спутаешь ни с каким другим – сложно сказать, в скольких точках планеты это осуществляется в тот момент, пока я пишу первый абзац. Однако хорошо, когда нужно слить в одно целое два фрагмента одного и того же материала, но что делать, когда металлы разные и, как говорится, несвариваемые? Ученые Института теоретической и прикладной механики им. С.А.Христиановича СО РАН точно знают ответ на этот вопрос.


- Все обычные методы сварки, которые есть сейчас, основаны на очень простом принципе: есть металл, его нагревают, он плавится и перемешивается, вступая в химическую реакцию. В результате возникает неразъемное соединение, - объясняет заместитель директора ИТПМ СО РАН доктор физико-математических наук Анатолий Митрофанович Оришич, - но есть одна особенность, которая, к сожалению, отрицательно влияет на качество любого классического сварного шва: он становится не особенно прочным. Это, кстати, относится к любым литым материалам из стали, которые обязательно после процесса чем-либо обрабатывают, чтобы повысить прочностные характеристики. Дело в том, что в ходе литья формируются крупные дендридные структуры, то есть, металл собирается крупными кристаллами, между которыми плохие связи, и он становится хрупким. В сварном шве происходят те же самые вещи, но обработать его нельзя, что сказывается на прочности. Недаром на трубах или, например, газопроводах шов почти в два раза толще, чем основной металл, ведь надо сделать его более крепким.  

Я никогда не задумывалась, отчего корабли варят, а самолеты – клепают. Сто лет назад по морям плавали суда с заклепками, вспомнить хотя бы тот же «Титаник», но поскольку люди научились соединять куски стали сваркой, а лишний вес от ее упрочнения в данном случае не играет большой роли, то эта технология и используется. Что касается «железных птиц», то здесь повышать массу абсолютно не стоит. Несмотря на то, что в современном самолете около 30 миллионов заклепок, от них не отказываются из-за необходимых в эксплуатации качеств.  

- Перейти к сварке в авиации – суперактуально, - восклицает Анатолий Оришич. - Немцы назвали этот переход такой же революцией, как во время Второй мировой войны смена деревянных аппаратов на металлические. Здесь очень важно сочетание небольшого веса и большой прочности. Вот и наступает проблема: нужна деталь с весом титана, но с характеристиками нержавеющей стали.

svarka3.jpgНа самом деле, соединить сваркой титан и сталь вполне возможно – только ненадолго. Удар о колено – и конструкция разлетится по сварному шву. Это и есть несвариваемость металлов: она связана со сложным физическим явлением, которое называют возникновением интерметаллидов – химических соединений, чьи кристаллы очень хрупки. Так устроено в природе, и изменить это, увы, нельзя. Поэтому нужно искать обходной путь, по которому и пошли сибирские ученые. Имя ему - лазерная сварка.

- В отличие от классических способов она обладает уникальным свойством – кинжальным проплавлением, - поясняет Анатолий Оришич. - Дело в том, что при воздействии на материалы очень важную роль играет плотность мощности. Лазер – это уникальный источник по многим характеристикам, но здесь он позволяет фокусировать в точке приложения настолько большую силу, что там, куда он светит, материал вытесняется. Поэтому при сварке лазером формируется в буквальном смысле кастрюлька. Внутри нее нету вещества, а стенки – из расплавленного металла. В такой кастрюльке можно сварить любой суп, - улыбается ученый, – то есть, создать любую композицию. Мы добавили туда наночастицы специальной керамики, которые перемешиваются с материалом в расплаве и становятся центрами кристаллизации. В результате вместо длинных дендритов образуются маленькие, и это приводит к тому, что прочность увеличивается в разы.  


Итак, благодаря трем компонентам - лазерному излучению, формированию с его помощью емкости и наночастицам – исследователям удалось сделать то, что еще никто не делал: крепкое соединение, по сути, трех металлов: титана, стали и меди, которая в чистом виде вещь мягкая, но когда интерметаллиды маленькими капельками размазываются внутри нее, обретает прочность.

- Сначала мы применили технологию для однородных материалов: попробовали сварить таким образом два куска титана, - комментирует Анатолий Оришич, - и нам удалось сделать прочность шва такой же, как и у основного металла. Это, кстати, сделано впервые. Тогда, - усмехается он, - мы решили «замахнуться на Вильяма нашего Шекспира», и соединить несвариваемое. Это, как видите, тоже получилось. Так что с помощью нашего способа мы можем создать любую композицию, и этот способ, кстати, нами запатентован.

Задача, которую ставят перед собой ученые на сегодняшний день, делится на две части, как раз в соответствии с названием ИТПМ СО РАН: во-первых, необходимо изучить фундаментальные свойства получившегося шва - композиционного материала. Это планируется делать с помощью коллег из Института физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск) и Института физики металлов Уральского отделения РАН (г. Екатеринбург). Во-вторых, стоит вопрос и о внедрении новой технологии.

- В июне этого года наш директор академик Василий Михайлович Фомин поедет на конференцию, которая будет проходить во Всероссийском институте авиационных материалов в Москве. Они заинтересовались нашей разработкой, и есть договоренность, что мы начнем ее аттестацию. Ведь мы не имеем право придти на новосибирский завод им. Чкалова и сказать: варите! Нужно заключение комиссии, - делится планами Анатолий Оришич.  


Впрочем, уже сейчас в рамках работы по технологической платформе «Фотоника» ИТПМ СО РАН установил контакты с судостроительными предприятиями Санкт-Петербурга, которые высоко оценили технологией сварки несвариваемых металлов. Оказывается, что эта проблема стоит в таких масштабах, что касается не только плавающих или летающих, но и любого из нас, кто ездит на автомобиле: там тоже есть проблема соединения в одной детали железа и меди, которая сейчас решается за счет болтов, но кто знает…

Материал взят с сайта СО РАН.info