Огромные крылатые машины, преодолевая земное притяжение и устремляясь в небо, каждый день перевозят через океаны и континенты тысячи пассажиров, миллионы тонн грузов.
Те, кто впервые проявляет интерес, как происходит конструирование и сборка самолётов, крайне удивляются, что фюзеляж, крылья и стабилизаторы, изготавливаемые из металла, соединяются не сваркой. До сих пор эта наиболее ответственная технологическая операция осуществляется с помощью клёпки. На корпусе современного широкофюзеляжного лайнера можно насчитать до 30 миллионов заклёпок.
Причины использования заклепок
Не каждый металл можно соединить с помощью сварки. Казалось бы, авиастроителям довольно легко шагать в ногу со временем. Уже давно можно было по примеру корабелов повсеместно перейти на применение современных методов сварки металлов. Но там, где комплекс наук, изучающих теорию и практику полётов воздушных судов (физика, химия, механика, аэродинамика), должен идти в авангарде, именно он решительно тянет конструкторов назад. Дело в том, что основные материалы для изготовления самолётов – титан и современные тугоплавкие соединения металлов на основе алюминия.
Технология сварки предусматривает перед стыковкой металлов их нагрев до температур плавления. При деформации и последующем затвердевании они испытывают значительное остаточное механическое напряжение. Это может вызвать явление, именуемое «усталостью металла», а в дальнейшем – разрушение. Такое поведение основного конструкционного материала категорически неприемлемо при эксплуатации воздушных судов:
- на взлёте и при посадке;
- в зонах повышенной турбулентности (горизонтальный полёт на больших высотах).
Из соображений безопасности воздушных перевозок клёпка остаётся основным способом соединения листового металла при сборке корпусов и плоскостей самолётов.
Клепка и ее преимущества
Клёпкой называется неразъёмное соединение узлов с помощью заклёпок. Склёпывают конструкции, подвергающиеся воздействию нагрузок, которые действуют параллельно относительно плоскости соприкосновения. Правильно соединённый с помощью заклёпок металлический узел (бывает прочным, плотным, или прочноплотным) способен долгое время выдерживать два основных типа механических нагрузок:
- ударные;
- вибрационные.
Главным преимуществом клёпки в авиастроении остаётся неприкосновенность физико-химической структуры соединяемых материалов, отсутствие нагрева и коробления поверхностей.
В авиастроении применяются многорядные соединения внахлёст или встык, с цепной структурой заклёпочного ряда. Для обеспечения стойкости клёпаных соединений авиастроители обрабатывают их специальными герметиками. В первую очередь, учёные ищут приемлемый способ сварки авиационных конструкций, учитывая исключительную трудоёмкость клёпки. Весь процесс осуществляется вручную, с применением подручных механических средств.
Слово за наукой
Практика металловедения показывает, что в последнее время учёные, работающие над созданием универсальной технологии сварки тугоплавких металлов и сплавов, достигли значительных успехов. Помощь в этом должны оказать ультрасовременные технологии. Ближе всех к решению проблемы подошёл коллектив металловедов из Института механики СО РАН. С помощью лазера и нанотехнологий удалось изменить дендритную структуру титана, из-за слабых молекулярных связей увеличивающую хрупкость сварного шва.
Проблему смогли сдвинуть с мёртвой точки посредством добавления в структуру титана керамических наночастиц. Перемешиваясь при расплавлении, они становятся кристаллическими центрами в структуре решётки. Дендриты резко уменьшаются в размерах. Это приводит к росту прочностных характеристик сварного шва. Второе ноу-хау – режим «кинжальной» сварки с помощью лазера. Он обеспечивает одинаковую прочность шва и остального металла.
Кто знает, может быть совсем скоро долгий, трудоёмкий и дорогостоящий процесс клёпки окончательно уйдёт в прошлое. Но до тех пор, пока революционные технологии не стали обычными заводскими операциями, за прочность корпуса самолёта отвечают люди, по-прежнему соединяя его миллионами заклёпок.