Wlotnictwie wśród najczęściej

Transkrypt

1 Połączenia stosowane w konstrukcjach lotniczych Kierunki doskonalenia technologii PROF. DR HAB. INŻ. Jarosław Sęp, KATEDRA TECHNOLOGII MASZYN I INŻYNIERII PRODUKCJI, POLITECHNIKA RZESZOWSKA, REDAKTOR NACZELNY CZASOPISMA STAL METALE & NOWE TECHNOLOGIE Konstrukcje lotnicze wykonywane są ze stopów metali (aluminium, niklu, tytanu, żelaza), kompozytów, a także tworzyw sztucznych. W ostatnich latach obserwuje się zwiększanie zastosowania kompozytów przykładowo w samolocie Boeing 787 stanowią one ponad 50% użytych materiałów. Różnorodność materiałów na elementy konstrukcji lotniczych wymusza stosowanie wielu typów połączeń. Wlotnictwie wśród najczęściej wykorzystywanych znajdują się połączenia: mechaniczne (za pomocą nitów, śrub i sworzni), klejowe, spawane, zgrzewane i lutowane oraz hybrydowe. Wymienione technologie są już znane i stosowane od wielu lat, jednak w dalszym ciągu wymagają badań i doskonalenia. Jest to związane z wprowadzaniem do konstrukcji lotniczych nowych materiałów oraz ze zwiększaniem wymagań eksploatacyjnych. Przykładowo program Foresight ukierunkowany na technologie rozwojowe na potrzeby Klastra Dolina Lotnicza wśród technologii, które powinny być rozwijane, wskazuje m.in. na technologie łączenia elementów kompozytowych z elementami metalowymi oraz z tworzyw sztucznych. Również krajowy przemysł lotniczy sygnalizuje potrzeby prowadzenia prac w zakresie doskonalenia wymienionych powyżej metod [1, 2]. Technologie połączeń znalazły się wśród głównych zadań badawczych realizowanego wspólnie przez środowisko naukowe i przemysłowe projektu kluczowego Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym. Należy także zwrócić uwagę, że w konstrukcjach lotniczych obserwuje się obecnie tendencje do minimalizowania liczby połączeń części poprzez wykonywanie różnorodnymi technologiami (obróbka skrawaniem na obrabiarkach CNC, kształtowanie nadplastyczne) części o bardzo złożonych kształtach. Rys. 1. Nit dwuczęściowy Połączenia mechaniczne Połączenia mechaniczne są stosowane do połączeń elementów metalowych, ceramicznych oraz kompozytów o osnowie metalowej. Połączenia nitowe są w dalszym ciągu najczęściej stosowanymi połączeniami mechanicznymi w konstrukcjach statków powietrznych. Miejscami stanowią one krytyczne struktury samolotu i w głównej mierze decydują o jej trwałości zmęczeniowej główny wpływ na trwałość zmęczeniową tego połączenia ma technologia zamykania nitu. Połączenia nitowe obecnie wciąż są badane pod kątem wpływu czynników konstrukcyjnych i technologicznych na wytrzymałość i trwałość zmęczeniową w temperaturach pokojowych [3, 4, 5, 6] i podwyższonych [7]. W badaniach uwzględniana jest również problematyka prognozowania wytrzymałości zmęczeniowej lotniczych połączeń nitowanych [8]. Prowadzone są także prace nad nowymi konstrukcjami nitów. Przykładem takiego rozwiązania jest nit dwustronny (rys. 1) [9]. Zamykanie nitów dwuczęściowych polega na spęczaniu trzonów, bez odkształceń plastycznych łbów. Proces zakuwania można w znacznym stopniu kontrolować, dobierając optymalne długości trzonów nitów składowych i zakrzywienie zewnętrznej powierzchni trzonu tulejowego. Ze względu na minimalizację naprężeń własnych metoda łączenia nitami dwuczęściowymi typu tuleja i rdzeń powinna być użyteczna w przypadku łączenia materiałów kompozytowych. Analiza materiałów stosowanych na śruby w konstrukcjach lotniczych wskazuje na konieczność szerszego zastosowania materiałów na bazie niklu. Wymagania konstrukcji lotniczych oraz charakterystyki zastosowanych materiałów 128 W R Z E S I E Ń- P A Ź D Z I E R N I K 2014

2 wymuszają konieczność zastosowania szczególnych technologii wytwarzania oraz montażu elementów połączeń śrubowych, zmuszając do poszukiwania szczególnych rozwiązań technologicznych zapewniających właściwe, bezpieczne funkcjonowanie połączeń w trudnych warunkach eksploatacyjnych konstrukcji lotniczych. Wskazane jest poszukiwanie bardziej doskonałych rozwiązań ze względu na zapewnienie funkcji wytrzymałości, lekkości, szczelności, odporności na bardzo niskie lub bardzo wysokie temperatury w zależności od elementu konstrukcji lotniczej. Innym interesującym połączeniem mechanicznym, które może znaleźć szersze zastosowanie, jest połączenie klinczowe (rys. 2). Ze względu na bezpośrednie łączenie blach, bez łącznika, uzasadnione wydaje się zastosowanie klinczowania do aplikacji lotniczych [10]. Połączenia klejowe Stosowane do łączenia elementów różnorodnych konstrukcji połączenia klejowe są popularne od wielu lat. Powszechnie wykorzystywane są one Rys. 2. Przekrój połączenia klinczowego również w branży lotniczej. Jednak także w tym obszarze prowadzone są prace badawcze mające na celu doskonalenie tej technologii łączenia. Są one ukierunkowane na: modyfikowanie klejów, badanie wpływu przygotowania powierzchni na właściwości połączenia, badania wpływu różnorodnych czynników środowiskowych na trwałość połączenia, badanie właściwości połączeń klejowych materiałów kompozytowych. Przykładowo w pracy [11] przedstawiono badania połączeń klejowych elementów tytanowych wykonanych przy wykorzystaniu odpornego na temperaturę kleju epoksydowego modyfikowanego nanocząstkami krzemionki. Badano wpływ azotowania plazmowego tytanu, promieniowania o wysokiej energii oraz temperatury na wytrzymałość połączenia. Łączone próbki wykonano ze stopu tytanu. Stwierdzono znaczne możliwości zwiększania wytrzymałości połączenia przy stosowaniu wymienionych wyżej zabiegów technologicznych. Badano również wpływ niskiej (77 K) i wysokiej (573 K) temperatury na wytrzymałość połączenia. Ekspozycja na wymienione temperatury przez 100 h nie spowodowała znaczących zmian wytrzymałości połączenia (poniżej 5%). Z kolei w pracy [12] przedstawiono wyniki badań połączeń klejowych laminatów. Analizowano wpływ modyfikacji reklama W R Z E S I E Ń- P A Ź D Z I E R N I K

3 kleju włóknami szklanymi i proszkiem szklanym. Stwierdzono wzrost trwałości zmęczeniowej połączeń o 125%, zwiększenie wytrzymałości na rozciąganie o 72%, zwiększenie wytrzymałości na zginanie o 112% oraz zwiększenie odporności na uderzenie o 63% przy badanych modyfikacjach klejów. Klejenie jest również badane w aspekcie możliwości uzyskiwania połączeń kompozytów ze stopami metali. W pracy [13] wykazano możliwość efektywnego połączenia klejowego stosowanego szeroko w przemyśle lotniczym stopu tytanu Ti-6Al-4V z laminatem HTM552 wykonanym z włókna węglowego. Z kolei w pracy [14] zaprezentowano wyniki badań złączy klejowych kompozytu węglowego stosowanego w przemyśle lotniczym i aluminium. Przebadano 16 różnych wariantów uwzględniających wpływ parametrów konstrukcyjnych i technologicznych na wytrzymałość połączenia. Wykazano, że klejenie również w tym przypadku jest efektywną metodą łączenia metalu z kompozytem. Połączenia klejowe przeznaczone do zastosowań lotniczych doskonalone są również w celu poprawy ich odporności na działanie czynników mogących potencjalnie zmniejszyć ich wytrzymałość. Dotyczy to wpływu temperatury, ciśnienia oraz oddziaływania płynów eksploatacyjnych, wody i mocznika. Istotnym czynnikiem rzutującym na wytrzymałość złącza klejowego jest przygotowanie powierzchni łączonych elementów. Współcześnie poszukiwane są również nowe sposoby obróbki poprzedzającej klejenie. Mają one na celu oczyszczenie powierzchni (mechaniczne i chemiczne) oraz jej aktywowanie w celu lepszego związania z klejem. Rys. 3. Wytrzymałość złączy: 1 zgrzewanych, 2 klejowych, 3 spawanych punktowo Połączenia spawane, zgrzewane i lutowane Spawanie Obecnie wprowadzane technologie spawalnicze cechują się dążeniem do stosowania silnie skoncentrowanych źródeł ciepła, niekiedy symultanicznie. Wdraża się zatem spawanie zwężonym łukiem (plazmowe), wiązką światła, w tym laserowego, oraz hybrydowe: spawanie łukiem i wiązką lasera. Prace te mają na celu użycie w praktyce przemysłowej źródeł ciepła dużej mocy, przy ograniczeniu pola oddziaływania ciepłem na łączone materiały, a więc radykalne zwiększenie gęstości źródeł ciepła. Spawanie łukowe, dzięki postępom w konstrukcji zasilaczy łuku opartych na inwertorowym przetwarzaniu energii oraz elektronicznym sterowaniu zjawiskami przebiegającymi w łuku, jest grupą perspektywicznych i dynamicznie rozwijających się technologii, mogących znaleźć znacznie szersze zastosowanie w przemyśle lotniczym. Najintensywniejszy rozwój dotyczy różnorodnych technologii spawania w osłonach gazowych, których aplikacje mogą okazać się korzystne już w najbliższej przyszłości. Aktualnie prowadzone są również prace badawcze ukierunkowane na doskonalenie połączeń spawanych mające na celu zwiększanie ich wytrzymałości. Badania te mają na celu poszukiwanie optymalnych rozwiązań konstrukcyjnych spoin, dobór najodpowiedniejszych sposobów obróbki cieplnej, a także modyfikacji technologii wykonywania spoin. Z przeprowadzonego rozpoznania potrzeb krajowego przemysłu lotniczego [1, 2] wynika również, że konieczne są badania pozwalające dobrać parametry spawania stopów tytanu, nadstopów niklu i stali pozwalające zachować lotniczą jakość spoin. Współcześnie rozwijane są także metody spawania pozwalające połączyć materiały kompozytowe. Przykładem takich badań jest praca [15], w której zaprezentowano metodę spawania kompozytu aluminium101 z 20-proc. udziałem SiC. Kompozyty na bazie aluminium są szeroko używane w przemyśle lotniczym. Omawiana metoda polega na nagrzaniu łączonych elementów do temperatury zapewniającej występowanie fazy stałej i fazy ciekłej, a następnie elementy te są dociskane do siebie przez krótki czas ( s). W efekcie powstaje złącze. Istotnym aspektem prac nad technologiami spawania są także zagadnienia związane z symulacją i automatyzacją procesów spawalniczych. Zgrzewanie Interesującą technologią z punktu widzenia aplikacji lotniczych jest zgrzewanie tarciowe, w tym zgrzewanie z przemieszaniem. Zgrzewanie tarciowe jest technologią o minimalnej energochłonności, dużym współczynniku pewności technologicznej, a złącza zgrzewane tarciowo osiągają właściwości zbliżone do posiadanych przez materiały rodzime. Jednym ze współczesnych kierunków rozwoju technologii zgrzewania istotnego pod kątem łączenia elementów konstrukcji lotniczych jest zgrzewanie z wprowadzeniem dodatkowego materiału pomiędzy łączone części. W pracy [16] przedstawiono wyniki badań zgrzewania dyfuzyjnego tytanu z nierdzewną stalą. Tego typu połączenia występują między innymi w przemyśle lotniczym. W celu uzyskania lepszych właściwości połączenia pomiędzy łączone elementy wprowadzono folię niklową o grubości 300 μm. Z kolei w pracy [17] przedstawiono technologię zgrzewania dyfuzyjnego stopu tytanu Ti-6Al-4V ze stalą nierdzewną 1Cr18Ni9Ti z wykorzystaniem międzywarstwy aluminiowej o grubości 500 μm. Dwa wymienione materiały są łączone w niektórych konstrukcjach lotniczych i kosmicznych. Prowadzone są również prace nad zgrzewaniem dyfuzyjnym z wystąpieniem fazy ciekłej. W pracy [18] przedstawiono wyniki badań zgrzewanego połączenia stopów tytanu (Ti-22Al-25Nb oraz Ti-15Cu-15Ni). Materiały te wykorzystywane są w lotnictwie oraz kosmonautyce. Z kolei w pracy [19] przedstawiono wyniki porównawczych badań wytrzymałości połączeń zgrzewanych, spawanych punktowo oraz klejowych. Wyniki badań przedstawiono na rys. 3. Z porównania wytrzymałości wynika, że badane połączenia zgrzewane miały największą wytrzymałość, podobnie jak trwałość zmęczeniową. 130 W R Z E S I E Ń- P A Ź D Z I E R N I K 2014

4 Lutowanie Współcześnie prowadzone są również prace rozwijające technologię lutowania twardego w zastosowaniach do łączenia elementów konstrukcji lotniczych i rakietowych. Przykładem takich prac są badania opisane w pozycjach [20, 21]. Dotyczą one próżniowego lutowania twardego stopu C103 (Nb-10Hf-1Ti) i stopu Ti-6Al-4V. Oba stopy są stosowane na elementy samolotów i rakiet. Do ich połączenia w procesie próżniowego lutowania twardego użyto folii Ti-15Cu-15Ni. Próżniowe lutowanie twarde wykorzystujące element pośredni w postaci folii może być zatem efektywnym sposobem łączenia elementów konstrukcji lotniczych. Lutowanie może być również wykorzystywane do łączenia materiałów kompozytowych ze stopami tytanu. Przykładem potwierdzającym ten fakt badań są wyniki opisane w pracy [22]. Przedstawiają one technologię lutowania kompozytu z matrycą SiC wzmocnioną włóknami węglowymi ze stopami tytanu. W celu uzyskania dobrej zwilżalności ceramiki przez łączony z nią stop zastosowano stop Ag-Cu-Ti jako aktywny stop lutowniczy. Uzyskano dzięki temu połączenie kompozytu ceramicznego ze stopem tytanu. W pracy [23] przeprowadzono badania nad cienkimi powłokami miedzianymi na stopie Ti-6Al-4V. Zwiększają one wytrzymałość lutownych złączy z tego materiału. Inny kierunek rozwoju technologii lutowniczych polega na uzyskiwaniu nowych, głównie wieloskładnikowych, stopów eutektycznych oraz pojawiających się możliwości unikania drogich lutowniczych technologii próżniowych. Przedstawione przykłady wskazują, że lutowanie jest w dalszym ciągu badaną i doskonaloną technologią, która jest wykorzystywana do łączenia elementów konstrukcji lotniczych. Połączenia hybrydowe Połączenia hybrydowe to nowoczesne technologie łączenia różnych materiałów. Zalicza się do tej grupy połączenia: nitowo-klejowe, śrubowo-klejowe, spawane z klejeniem, zgrzewane z klejeniem, zaciśnięcie z klejeniem. Ich zalety w porównaniu z połączeniami klasycznymi to: większa wytrzymałość na rozciąganie, sztywniejsza struktura, dwuetapowy proces pękania przed całkowitym zniszczeniem, lepsza odporność na korozję. Również te połączenia są współcześnie badane i doskonalone. W badaniach poruszane są zagadnienia przenoszenia obciążeń przez każdy z rodzajów połączeń. I tak przykładowo na podstawie połączenia śrubowo-klejowego stwierdzono, że [24]: wzrasta wraz ze wzrostem grubości łączonych elementów, wzrasta wraz ze wzrostem grubości łączonych kleju, zmniejsza się wraz ze wzrostem długości zakładki, zmniejsza się wraz ze wzrostem odległości między śrubami. Prowadzone są także badania wytrzymałości statycznej takich złączy. Stwierdzono pewien przyrost wytrzymałości poprzez zastosowanie dwóch rodzajów połączeń, ale oczywiście całkowita wytrzymałość jest znacząco mniejsza od sumy wytrzymałości każdego z połączeń. Sytuacja taka jest spowodowana tym, że tylko część sumarycznego obciążenia przenoszona jest przez śrubę. Podobne zależności, jeżeli chodzi o wytrzymałość statyczną tego typu połączeń, uzyskano w pracy [25]. Wykazano jednak, że zastosowanie połączenia hybrydowego daje efekt w postaci blisko dwukrotnego zwiększenia wytrzymałości zmęczeniowej w relacji do połączeń składowych. Podsumowanie Przeprowadzona analiza wskazuje, że współcześnie prowadzone są badania mające na celu doskonalenie wszystkich technologii stosowanych w konstrukcjach lotniczych. W przypadku połączeń spawanych doskonalenie jest ukierunkowane na poszukiwanie optymalnych rozwiązań konstrukcyjnych spoin, dobór najodpowiedniejszych sposobów obróbki cieplnej, modyfikacje technologii wykonywania spoin oraz poszukiwanie możliwości łączenia przy wykorzystaniu tej technologii różnych materiałów (przykładowo metali i kompozytów). Doskonalenie połączeń lutowanych jest ukierunkowane na poszukiwanie nowych stopów lutowniczych, które będą pozwalały na efektywne łączenia różnorodnych materiałów (w tym metali i kompozytów). Prowadzone są także badania nad obróbką cieplną i rozwiązaniami konstrukcyjnymi złączy poprawiającymi ich wytrzymałość. Badania zmierzające do doskonalenia połączeń klejowych są ukierunkowane na modyfikowanie klejów, badanie wpływu przygotowania powierzchni na właściwości połączenia, wpływu różnorodnych czynników środowiskowych na trwałość połączenia oraz właściwości połączeń klejowych materiałów kompozytowych. Doskonalenie połączeń zgrzewanych jest ukierunkowane na poszukiwanie możliwości łączenia różnych materiałów (w tym metalicznych z kompozytowymi). Połączenia takie są możliwe dzięki wprowadzaniu pomiędzy łączone elementy dodatkowych materiałów. W porównaniu z innymi technologiami łączenia badania połączeń nitowanych mają mniejszy zakres. Dotyczą głównie wpływu czynników konstrukcyjnych i technologicznych na wytrzymałość i trwałość zmęczeniową w temperaturach pokojowych i podwyższonych. W konstrukcjach lotniczych obserwuje się również współcześnie tendencje do minimalizowania liczby połączeń części poprzez wykonywanie różnorodnymi technologiami części o bardzo złożonych kształtach. Piśmiennictwo 1. Sprawozdanie ze spotkania zespołu realizującego ZB15 z przedstawicielami WSK Rzeszów, r. 2. Sprawozdanie ze spotkania zespołu realizującego ZB15 z przedstawicielami PZL Mielec, r. 3. Nesterenko G.I., Kozlov A.G., Nesterenko B.G., Stoida Y.M.: Durability of Riveted Joints of the Fuselage Skin. Journal of Machinery Manufacture and Reliability, vol. 37 (2008), pp Cao Z., Cardew-Hall M.: Interference-fit riveting technique in fiber composite laminates. Aerospace Science Technology, 10 (2006), pp Postec M., Deletombe E., deisart D., Coutellier D.: Study on the influence of the number of inter-play intrefaces on the bearing rupture 132 W R Z E S I E Ń- P A Ź D Z I E R N I K 2014

5 of riveted composite assemblies. Composite Structures, 84 (2008), pp Mroziński S., Lis Z.: Badania doświadczalne połączeń nitowych. Obróbka Metalu, nr 1 (2011), s Song M-H., Kweon J-H., Kim S-K., Kim Ch., Lee T-J., Choi S-M.: An experimental study on the failure of carbon/epoxy single lap riveted joints after thermal exposure. Composite Structures, 86 (2008), pp De Rijck J.J.M., Homan J.J., Schijve J., Benedictus R.: The driven rivet head dimensions as an indication of the fatigue performance of aircraft lap joints. International Journal of Fatigue, 29 (2007), pp Balawender T.: Nit dwustronny. Patent PL215908B Balawender T.: Łączenie blach przetłaczaniem (klinczowanie). Rudy i Metale Nieżelazne, nr 6 (2010), s Bhowmik S., Benedictus R., Poulis J.A., Bonin H.W., Bui V.T.: High-performance nanoadhesive bonding of titanium aerospace and space applications. International Journal of Adhesion & Adhesives, 29 (2009), pp Khalili S.M.R., Shokuhfar A., Hoseini S.D., Bidkhori M., Khalili S., Mittal R.K.: Experimental study of the influence of adhesive reinforcement in lap joints for composite structures subjected to mechanical loads. International Journal of Adhesion & Adhesives, 28 (2008), pp Lucas F.M. da Silva, Adams R.D.: Adhesive joints at high and low temperatures using similar and dissimilar adherends and dual adhesives. International Journal of Adhesion & Adhesives, 27 (2007), pp Seong M-S., Kim T-H., Nguyen K-H., Kweon J-H., Choi J-H.: A parametric study on the failure of bonded single-lap joints of carbon composite and aluminum. Composite Structures, 86 (2008), pp Guo W., Hua M., Ho J.K.L.: Study on liquid-phase-impact diffusion welding SiC p /ZL101. Composites Science and Technology, 67 (2007), pp Kundu S., Chatterjee S.: Structure and properties of diffusion bonded transition joints between commercially pure titanium and type 304 stainless steel using a nickel interlayer. Journal of Materials Science, 42 (2007), pp He P., Yue X., Zhang J.H.: Hot pressing diffusion bonding of a titanium alloy to a stainless steel with an aluminum alloy interlayer. Materials Science and Engineering, A 486 (2008), pp Zou G-S., Xie E-H., Bai H-L., Wu A-P, Wang Q., Ren J-L.: A study on transient liquid phase diffusion bonding of Ti-22Al-25Nb alloy. Materials Science and Engineering, A 499 (2009), pp Chang B., Shi Y., Dong S.: Comparative studies on stresses in weldbonded, spot-welded and adhesive-bonded joints. Journal of Materials Processing Technology, 87 (1999), pp Hong I-T., Koo Ch-H.: The study of vacuum-furnace brazing of C103 and Ti-6Al-4V using Ti-15Cu-15Ni foil. Materials Chemistry and Physics, 94 (2005), pp Hong I-T., Koo G-H.,: Vacuum-furnace brazing of C103 and Ti-6Al- 4V with Ti-15Cu-15Ni filler-metal. Materials Science and Engineering, A (2005), pp Lin G., Huang J., Zhang H.: Joints of carbon fiber-reinforced SiC composites to Ti-alloy brazed by Ag-Cu-Ti short carbon fibers. Journal of Materials Processing Technology, 189 (2007), pp Li J.H., Lin R.Y.: Active joining of Ti-6Al-4V with electroplated Cu thin film. Materials Science and Engineering, A 381 (2004), pp Kelly G.: Load transfer in hybrid (bonded/bolted) composite single-lap joints. Composite Structures, 69 (2005), pp Matsuzaki R., Shibata M., Todoroki A.: Improving performance of GFRP/aluminum single lap joints using bolted/co-cured hybrid method. Science Direct Composites, 39 (2008), pp W R Z E S I E Ń- P A Ź D Z I E R N I K