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.
