Инженеры из университета штата Огайо разработали новую технику взрывной сварки (сварки взрывом) для надёжного соединения материалов без потери прочности. К тому же новая техника требует на 80% меньше энергии, чем точечная контактная сварка, и скрепляет поверхности на 50% прочнее.
Изобретение может оказать существенное влияние на автомобильную промышленность. Она уже готова вывести на рынок новые модели автомобилей, сочетающие традиционную тяжёлую сталь с лёгкими альтернативными материалами, которые снижают вес машины.
Несмотря на последние достижения в создании инновационных материалов, на практике работать с ними тяжело. Многие считаются «несвариваемыми» в традиционном смысле, в основном, потому что под воздействием высокой температуры и из-за плавления они теряют прочность.
«Материалы становятся прочнее, а сварка нет, — говорит Гленн Даен (Glenn Daehn), профессор материаловедения и инженерного дела в университета штата Огайо, один из авторов новой техники сварки. — Мы можем конструировать металлы с замысловатыми микроструктурами, но при сварке эти микроструктуры уничтожаются… С помощью нашего метода материалы формуются и скрепляются одновременно, они в реальности становятся даже прочнее, чем раньше».
О своём открытии Даен рассказал на конференции Materials Science & Technology 2015, которая прошла в начале октября в Коламбусе.
В традиционной точечной контактной сварке через металлы пропускается сильный ток, так что естественное электрическое сопротивление материала генерирует тепло, которое частично плавит и сваривает их. Но эта техника требует большого количества энергии, а расплавленные и застывшие участки металлов уже не так прочны, как раньше.
Последние десять лет профессор Даен с коллегами потратили на создание новой техники сварки, лишённой этих недостатков. И у них получилось. Новая разработка защищена почти десятком патентов и называется сваркой с механизмом управления испарением фольги (vaporized foil actuator, VFA).
В случае с VFA высоковольтный конденсатор выдаёт очень короткий электрический импульс в тонкий слой алюминиевой фольги под свариваемыми поверхностями. За несколько микросекунд фольга испаряется, а вспышка горячего газа сталкивает два металла друг с другом на скорости в несколько тысяч километров в час.
Детали не расплавляются, так что металл не теряет своей прочности. Вместо этого атомы двух материалов в результате соударения буквально перемешиваются друг с другом, как показано на иллюстрациях. Изучение под микроскопом показывает, что создаётся исключительно крепкая связь. Иногда после соударения появляются красивые формы, где материалы буквально вплетаются в ткани друг друга.
Фактически, разработана новая разновидность так называемой взрывной сварки, но лучше контролируемая и более подходящая для промышленного использования.
Техника VFA требует меньшего количества энергии, потому что электрический импульс очень короткий и потому что для испарения фольги нужно меньше энергии, чем для расплавления металлов.
К настоящему моменту инженеры успешно испытали VFA для сварки в различных комбинациях меди, алюминия, магния, железа, никеля и титана. Сварка надёжно скрепляет стальные и алюминиевые сплавы, которые сейчас широко используются в промышленности. Эта задача была невыполнимой традиционными методами. Исследователи говорят, что при VFA-сварке высокопрочных стальных и алюминиевых сплавов места их соединения обладают даже большей прочностью, чем оригинальные материалы.
Техника настолько мощная, что позволяет даже изменять форму металлов во время сварки, экономя лишний шаг на конвейере.
Сейчас учёные ведут переговоры с автопроизводителями по внедрению новой технологии на заводах.
Комментарии (17)
Ocelot
30.10.2015 11:29Техника VFA требует меньшего количества энергии, потому что электрический импульс очень короткий и потому что для испарения фольги нужно меньше энергии, чем для расплавления металлов.
А стоимость фольги учтена?
Imposeren
30.10.2015 15:03фольга ж алюминиевая — она очень дешевая. Ну как минимум — явно дешевле электродов для точечной сварки. Может по началу новый вид сварки и будет дороже точечно, но потом должен стать более выгодным. Но вот про гальванические пары в соединениях аллюминий-сталь, как заметил oledje (тут), интересно, т.к. при обычном контакте явно будет коррозия. Можно конечно как-то легировать сталь, что бы снизить эффект, но всё-равно «стрёмно»
kelegorm
30.10.2015 19:24+1Электроды для точечной сварки — не расходный материал. К чему сравнивать их цену с ценой фольги?
gmist
30.10.2015 15:15Алюминий со сталью? Прекрасно, прекрасно — владельцы Ленд-Роверов тут могут посоветовать прикупить кучу заклепок и пару листов алюминия, чтобы зашивать коррозийные дыры.
stalinets
30.10.2015 21:48Интересно, можно ли так соединять сильно разнородные материалы, скажем, сталь и карбон, металлы и пластики, да даже сталь и цветную полимерную плёнку как замена окраске?
MichaelBorisov
30.10.2015 22:46По сути дела это конверсия технологии ядерного оружия. Там для подрыва обжимающего ВВ используется проволока, которая в течение микросекунд испаряется от воздействия мощного импульса тока.
Если задача заключается в том, чтобы просто столкнуть детали на огромной скорости — то может, можно и без взрыва? Какой-нибудь линейный электродвигатель замутить для разгона (правда, потребуется расстояние) ну или по старинке — из пушки порохом выстреливать?
Также остается вопрос деформации деталей при таком соединении. Если в точке соприкосновения развивается такое давление, что металлы проникают друг в друга — то такое же давление должно создаваться на другой стороне подложки. Конечно, деталь отчасти самортизирует, но все же. Не произойдет ли «сварки» неподвижной детали с подложкой?
NetBUG
Не вполне понятно показано, можно ли сваривать крупные детали, или только фольгу приваривать к массивной детали.
Для первого и так есть точечная сварка.
kbtsiberkin
Так на схеме прекрасно же видно — фольга между свариваемыми деталями, в качестве активатора процесса.
nkie
Не знаю как вам, но мне вот на этом рисунке видно, что взрыв фольги расположен не между двумя свариваемыми поверхностями, а за листовым материалом. И фраза:
как бы намекает, что если бы фольга была между свариваемыми металлами, то взрыв этой фольги должен не сталкивать два металла, а расталкивать.kbtsiberkin
Точно. Ну бывает с утра, не то покажется.
turbopower
приваривать фольгу? dude, фольга лишь формирователь плазмы, привариваются металлы
тема интересная, ауди, к примеру буквально склеивает клеем кузовные панели из алюминия и стали, тут вариант понадежнее
однако, учитывая переход автопроизводителей в лигу карбона, в т.ч. и в несущих элементах, перспективы техпроцесса сужаются до моделей бюджетных, где вес в принципе не волнует ни завод, ни владельца авто.
oledje
Панели из алюминия и стали можно только склеивать и никак иначе. Ну или прикручивать через изалятор. Иначе такое соединение будет подвержено коррозии (гальваническая пара) и не прослужит хоть сколько-нибудь приемлимые сроки. Так что сомневаюсь что этот вариант понадежнее.