Почему в самолетах используются заклепки, а не сварная конструкция?

Краткий ответ: высокопрочные алюминиевые сплавы сложно правильно сварить. Алюминий является настолько прекрасным материалом для авиационных конструкций, что необходимость его клепки с радостью принимается.

Важны две вещи:

1. В то время как сталь имеет температурный диапазон, в котором она становится все более и более жидкой, алюминиевые сплавы превращаются из твердого состояния в жидкое всего за несколько градусов. Кроме того, теплопроводность сплавов на основе железа ниже, чем у алюминия, поэтому локальный нагрев стали будет сохранять окружающий материал более холодным и твердым по сравнению с алюминием. Хотя сварка тонких листов стали тривиальна, для этого требуется большой опыт работы с алюминием . Для очень тонких листов требуется специальное оборудование, такое как медная подложка с водяным охлаждением, на которую опираются алюминиевые листы, поэтому их задняя часть охлаждается. Кроме того, температура плавления стали и титана достаточно высока, чтобы они светились задолго до того, как расплавятся, в то время как алюминий плавится, не давая вам никакого визуального намека на его температуру.

2. Высокопрочный алюминий производится путем постепенного старения и дисперсионного твердения материала . В обычных сплавах используются атомы меди, диспергированные в алюминиевой матрице, которые локально искажают атомную решетку и упрочняют ее. Если их нагреть и быстро охладить при сварке, распределение меди изменится, и материал вокруг зоны сварки ослабнет. Повторное упрочнение готовой конструкции в большинстве случаев нецелесообразно, поэтому лучшей альтернативой является клепка.

Третьей особенностью является оксидный слой на алюминии, который имеет более высокую температуру плавления, чем основной материал. Для разрушения слоя оксида алюминия вам понадобится сварочный аппарат TIG на переменном токе , поэтому выбор методов сварки довольно ограничен.

Кроме того, клепаные конструкции легче осматривать и ремонтировать. В большинстве ремонтов необходимо снимать конструкцию самолета для доступа, а клепаную конструкцию легче разобрать и снова собрать после ремонта, используя заклепки немного большей толщины.

Мой опыт сварки алюминия остановился на листах толщиной 4 мм; в то время как более толстые легко свариваются, мне никогда не удавалось сварить более тонкие. Вы садитесь перед своей конструкцией и нагреваете место, где хотите начать сварку. Наблюдая за ним через затемненный экран головы, вы ждете, пока пятно под дугой станет глянцевым, что сигнализирует о том, что поверхность начала плавиться. Теперь вам нужно добавить свою сварочную проволоку как сумасшедшую, чтобы пятно не нагревалось больше и заставило пятно двигаться. Если вы этого не сделаете, через секунду у вас будет дыра под дугой, потому что алюминий полностью расплавился и отпал. Делать это с листами толщиной 2 мм было для меня чистой воды бесполезным упражнением — в тот момент, когда поверхность становилась глянцевой, она уже отпадала.

Редактировать:

Спасибо @voretaq7 за ссылку о сварке трением с перемешиванием в комментариях! Это стало возможным благодаря точному позиционированию деталей и сварочной головке с компьютерным управлением и найдет более широкое применение в будущем. Eclipse Aerospace утверждает, что это помогает им избежать 60% заклепок в их реактивных самолетах.

Сварка имеет 2 существенных недостатка (1) она обычно ослабляет основной материал из-за тепла в зоне поражения и (2) использование одного компонента может привести к потере трещиностойкости при переходе от одного участка к другому. Я слышал историю о том, что кто-то (Lockheed?) пытался использовать диффузионное соединение, но затем во время структурных испытаний у него образовалась крупная трещина.

Имея доступ к фюзеляжу Comet, используемому для испытаний под давлением в резервуаре для воды (установленном на стене лаборатории в RAF College Cranwell), отчетливо виден рост трещин. В прошлом инженеры просверливали отверстия в конце трещины (когда они их находили), потому что увеличенный радиус кончика замедляет скорость распространения. Мой отец и крестный были инженерами Imperial Airways в 1930-х, 40-х и 50-х годах. (Хорошо, название изменено на BOAC i 1940.)

Кроме того, практически невозможно проверить целостность сварного шва, не нарушая его; как спичечная фабрика, которая проверяет на 100% и отправляет только те, которые сработали.

Просто интересно, что изменилось в авиации? Разве ремонт, безопасность, вес и аэродинамика не лучше со сварной конструкцией?

Я просто подумал, что хотел бы добавить еще одну вещь, которая широко используется (о которой вы можете знать или не знать, поскольку она менее очевидна): Adhesives .

Не совмещая материал сам по себе, как сварка, он идет по тем же путям, но в отличие от сварки в целом не меняет свойств материала. Клеи промышленной прочности, такие как эпоксидная смола, могут быть невероятно прочными при правильном применении.

Этот PDF -файл от Henkel содержит широкий спектр продуктов, как и этот обзор от 3M Aerospace.

Во-первых, большинство самолетов имеют много сварных компонентов, но в основном это элементы рамы/конструкции. Обшивка обычно приклепана по двум причинам: (1) гораздо легче снять или заменить клепаную панель и (2) место сопряжения обшивки с конструкцией во многих случаях недоступно. Другими словами, кожу нужно соединить с рамой. Это означает, что сварщик должен иметь доступ к этому соединению. Даже если бы у вас был доступ к стыку, это был бы просто сварной шов, тогда вам пришлось бы снова сваривать внешнюю поверхность, чтобы герметизировать стыковые соединения между панелями. Тогда вам придется расточить эти печати. Очень трудоемкий и дорогой и, вероятно, в любом случае не прочнее заклепок.

Кроме того, учтите, что самолеты постоянно изгибаются во время полета. Это приведет к хаосу в сварных соединениях, что может привести к растрескиванию тонкого соединения (которым будут соединения с обшивкой). Заклепки гораздо более удобны для движущихся частей, потому что они немного поддаются им.

Обычно требуется большая площадь поверхности для сварного шва, а с тонким сечением этого добиться трудно. По этой причине на самом деле было бы гораздо лучше припаять кожу, чем сваривать ее.

Учитывая все вышесказанное, вполне возможно сконструировать самолет, используя сварную конструкцию, похожую на автомобиль, используя так называемую «точечную сварку». Это еще может случиться, но до авиапрома еще не дошло.

Я пришел в эту тему в поисках сравнения между заклепками и сварными швами. Мое любопытство было вызвано чтением книги Хью Э. Бишопа «Ночь, когда Фитц пошел ко дну» в сотрудничестве с Дадли Пакеттом. Пакетт (капитан « Уилфред Сайкс», когда « Эдмунд Фицджеральд» затонул) критически относился к сварным швам на кораблях, которые стали почти стандартными после сравнения сварных швов и заклепок, проведенного, когда военно-морской флот пытался решить, как строить подводные лодки. Военно-морской флот пришел к выводу, что сварные швы намного прочнее заклепок, поэтому они начали сварку подводных лодок, а затем и почти всех больших лодок. Пакетт не доверял им, потому что большая лодка много «работает» (изгибается и скручивается), особенно в шторм, а сварные швы настолько жесткие, что там, где склепанная область будет изгибаться вместе с остальной частью корабля, сварной шов лопнет. открытым.

Я не совсем уверен, насколько это применимо к самолетам, но это показывает, что «лодки и корабли делают это», возможно, не такой сильный аргумент, как думают люди.

В нефтеперерабатывающей промышленности; сварка непростая, и это касается стали, которую гораздо легче сварить, чем алюминий и титан. Кодекс ASME по котлам и сосудам под давлением включает целый раздел (Раздел 5), в котором определяются требования и условия для сварки сталей нефтеперерабатывающих заводов. Одной из самых больших проблем для любого металла является зона термического влияния (ЗТВ). Металл ЗТВ испытал весь диапазон температур от плавления до нуля. Для алюминия наплавка и часть ЗТВ находятся в состоянии самой низкой прочности. Я буду краток. Чтобы вернуть алюминию прочность, вся сварная конструкция должна быть отожжена на твердый раствор (нагрета примерно до 900 F) и быстро охлаждена (как в воде). Затем выдерживается при температуре около 300 F. Это обычное состояние T 6. Рассмотрим проблемы поддержки всей конструкции в горячем состоянии, а алюминий имеет прочность сыра. А затем закалка в воде. Титан имеет свой собственный набор уникальных проблем сварки.

Как уже отмечали другие, это из-за свойств алюминия. Я хотел бы добавить, что есть хорошие альтернативы алюминию, но единственная, которая приемлема как по производительности, так и по цене, — это магний.

Например, в ракетном двигателе Northrop XP-79 использовалась сварная монококовая конструкция из магниевого сплава.