Новая техника сварки алюминиевого сплава

Алюминиевый сплав, разработанный в 1940-х годах, долгое время оставался перспективным для использования в автомобильной промышленности, за исключением одного ключевого препятствия. Несмотря на то, что он почти такой же прочный, как сталь, и весит всего одну треть, его практически невозможно сваривать, используя технику, обычно используемую для сборки панелей кузова или деталей двигателя.

Это потому, что когда сплав нагревают во время сварки, его молекулярная структура создает неравномерный поток составляющих его элементов — алюминия, цинка, магния и меди — что приводит к образованию трещин вдоль сварного шва.

Но теперь инженеры из UCLA Samueli разработали способ сварки сплава, известный как AA 7075. Решение таково: вливание наночастиц карбида титана — частиц настолько малых, что они измеряются в единицах, равных одной миллиардной части метра — в сварочную проволоку AA 7075, которая используется в качестве наполнителя между соединяемыми деталями.  Статья, описывающая открытие, была опубликована в Nature Communications.

Используя новый подход, исследователи изготовили сварные соединения с пределом прочности до 392 мегапаскалей. (Для сравнения, алюминиевый сплав, известный как AA 6061, широко используемый в авиационных и автомобильных деталях, имеет предел прочности при растяжении 186 мегапаскалей в сварных соединениях.) И согласно исследованию, термическая обработка после сварки может еще больше повысить прочность швов AA 7075, до 551 мегапаскалей, что сопоставимо со сталью.

AA 7075 уже используется для формирования фюзеляжей и крыльев самолетов, где материал обычно соединяется болтами или заклепками, а не сварными швами. Сплав также использовался для деталей, которые не требуют соединения, таких как рамки для смартфонов и карабины для скалолазания. Но устойчивость сплава к сварке, в частности, к типу сварки, используемому в автомобилестроении, помешала его широкому распространению.

«Новая техника может позволить широко использовать этот высокопрочный алюминиевый сплав в массово выпускаемых изделиях, таких как автомобили или велосипеды, где детали часто собираются вместе», — сказал Сяочунь Ли, главный исследователь исследования. «Компании могут использовать те же процессы и оборудование, которые у них уже есть, чтобы включить этот сверхпрочный алюминиевый сплав в свои производственные процессы, и их продукты могут быть более легкими и более энергоэффективными, сохраняя при этом свою прочность».

Ученые уже работают с производителем велосипедов над прототипами велосипедных рам, которые будут использовать сплав; и новое исследование предполагает, что наполненные наночастицами присадочные проволоки могут также облегчить соединение других трудно свариваемых металлов и металлических сплавов.

Maximilian Sokoluk et al. Nanoparticle-enabled phase control for arc welding of unweldable aluminum alloy 7075, Nature Communications (2019). DOI: 10.1038/s41467-018-07989-y