Producenci samolotów i śmigłowców średniej wielkości (o masie startowej do 10 ton), wciąż poszukują m.in. alternatywnych metod łączenia metalowych cienkościennych struktur lotniczych, mając na uwadze zapewnienie odpowiedniej wytrzymałości połączenia, zmniejszenie masy konstrukcji, obniżenie pracochłonności oraz obniżenie kosztów produkcji.
Charakterystyka obecnie wykorzystywanych metod łączenia
Metody łącznikowe – nitowanie
Jedną z metod łączenia struktur lotniczych są metody wykorzystujące różnego rodzaju łączniki. W każdym przypadku zastosowania łączników istnieje potrzeba zapewnienia szczelności konstrukcji w miejscu montażu, nie tylko elementów struktury, ale również łącznika, przed przedostawaniem się wody do wnętrza struktury płatowca.
Najprostszymi i najbardziej ekonomicznymi, ze względu na koszt łącznika, jak i czas montażu oraz oprzyrządowanie, są metody wykorzystujące do łącznia elementów struktur lotniczych nity pełne. Metody te obarczone są możliwością wystąpienia wielu wad powstających w trakcie wykonywania tzw. szwów nitowych oraz wymagają zdobycia dużego doświadczenia przez operatorów wykonujących te połączenia. Błędy popełnione przy nitowaniu mają wpływ na zmianą charakteru pracy złącza, co może skutkować uszkodzeniem połączonych elementów, a nawet prowadzić do katastrofy statku powietrznego.
Nitowanie charakteryzuje się dużą prostotą wykonania i stosuje się je bardzo szeroko. Zakres stosowania połączeń nitowych w konstrukcjach lotniczych jest znaczący. Nituje się przede wszystkim konstrukcje cienkościenne (pokrycia, ścianki dźwigarów i żeber, wsporniki itp.) zespołów płatowca, takich jak kadłub, usterzenie, skrzydła i zespoły mechanizacji skrzydeł. W montażu tych zespołów nitowanie stanowi około 80% pracochłonności. Zakuwki nitów kształtuje się sposobem udarowym, za pomocą młotka pneumatycznego i podtrzymki, lub sposobem bezudarowym, za pomocą pras pneumatycznych [1, 4, 6].


W odniesieniu do powierzchni nitowanych pakietów (blachy pokryciowe, ścianki zespołów itp.) nitowanie dzieli się na zwykłe i gładkie. Nitowanie zwykłe (Rys. 1) stosuje się wtedy, gdy nie jest wymagana gładkość powierzchni zespołów nitowanych, to znaczy łby i zakuwki nitów mogą wystawać poza kontur nitowanych elementów. Nitowanie gładkie jednostronnie i obustronne (Rys. 2) stosuje się wtedy, gdy jest wymagana gładkość powierzchni zespołów nitowanych (np. zewnętrznych powierzchni szybkich samolotów), bowiem wystawanie łbów nitów powoduje wzrost oporów aerodynamicznych. Na gładko nituje się również połączenia wewnętrzne konstrukcji płatowca, gdzie brak jest miejsca na wystające łby nitów lub wymagają tego inne względy konstrukcyjne [1, 4-6].
Główną niedoskonałością dotyczącą wszystkich metod łącznikowych jest wymóg wykonania otworów, który przyczynia się do powstania tzw. karbów konstrukcyjnych. Są one powodem powstawania koncentracji naprężeń w obszarze otworów, które to znacząco wpływają na wytrzymałość zmęczeniową konstrukcji płatowców. W wyniku długookresowej eksploatacji są przyczyną powstawania pęknięć, co może również prowadzić do zniszczenia katastrofalnego struktury statku powietrznego, powstania tzw. pęknięcia wieloogniskowego (Rys. 3).

Ponadto, w przypadku wykonywania połączeń za pomocą nitów pełnych, na trwałość tych połączeń duży wpływ ma sam proces nitowania. Stąd zalecane jest, jeśli tylko istnieje taka możliwość konstrukcyjno-technologiczna, stosowanie w miejsce metod nitowania udarowego, metody prasowania za pomocą pras ręcznych, automatycznych, jak również za pomocą nitownic orbitalnych lub radialnych.
Zgrzewanie oporowe
Najczęściej wykorzystywanymi ze względu na swoje właściwości mechaniczne i odporność korozyjną w produkcji struktur lotniczych są stopy aluminium z serii 2xxx oraz 7xxx. Stosowane w produkcji blachy i płyty dodatkowo zabezpieczane są obustronnie platerowaniem, co dodatkowo zabezpiecza je przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków środowiskowych. Powłokę nakłada się na powierzchnię blachy poprzez nawalcowanie warstwy aluminium o wysokiej czystości i grubości około 4% grubości blachy platerowanej. Obydwa gatunki stopów należą jednak do grupy stopów trudnospawalnych. Spawalność stopów aluminium jest w dużym stopniu utrudniona ponieważ mają one:
- duże powinowactwo chemiczne do tlenu,
- skłonność do tworzenia się powłoki tlenkowej, która utrudnia spawanie,
- wysoką przewodność cieplną, co utrudnia miejscowe stapianie metalu, szybkie krzepniecie i stygnięcie spoiny,
- wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej i duży skurcz, co powoduje powstawanie naprężeń i odkształceń w złączach oraz pęknięć w spoinach,
- dużą zdolność rozpuszczania gazów, co prowadzi do występowania porowatości gazowej.
W przypadku tych stopów wysoce skuteczne są połączenia zgrzewane (połączenia nierozłączne uzyskiwane bez udziału materiału dodatkowego, tj. spoiwa). Najczęściej uzyskuje się je w wyniku miejscowego stopienia i docisku łączonych materiałów np.: blach, kształtowników. Niezbędne ciepło do nagrzewania lub stopienia materiału w procesie zgrzewania elektrycznego oporowego, powstaje w wyniku przepływu prądu przez materiały łączone, zgodnie z zależnością Joule’a-Lenza:
Q = ∫0tk I2(t) R(t) dt
gdzie:
Q – ilość ciepła [J],
I(t) – natężenie prądu zgrzewania [A],
R (t) – oporność strefy zgrzewania [Ω],
tk – czas przepływu prądu zgrzewania [s].
Na jakość połączenia zgrzewanego istotny wpływ wywiera ilość wydzielonego ciepła i siła docisku. Ilość wydzielonego ciepła, przy danym natężeniu prądu i czasie zgrzewania zależy od oporności strefy zgrzewania, która jest sumą oporności:
- styku pomiędzy zgrzewanymi elementami (największy opór – dlatego tam powstaje zgrzeina),
- metalu pomiędzy elektrodami,
- styku pomiędzy elektrodami a powierzchnią materiału [8].

Zgrzewanie oporowe punktowe przeprowadza się na zgrzewarkach punktowych, które w zależności od wymagań produkcyjnych mogą być stacjonarne lub przenośneo małej, średniej i dużej mocy zgrzewania. Obok powszechnie stosowanych zgrzewarek prądu zmiennego stosuje się coraz częściej także zgrzewarki prądu stałego, stosowane szczególnie do zgrzewania aluminium lub jego stopów a to ze względu na bardzo duże prądy zgrzewania.
Uzyskiwanie zgrzein w procesie zgrzewania punktowego odbywa się według określonego programu. Program ten uwzględnia wartości siły docisku, natężenia prądu oraz przedziały czasu ich oddziaływania, podczas cyklu zgrzewania (Rys. 5). W pierwszym okresie cyklu elementy ułożone na zakładkę są dociskane przez elektrody zgrzewarki przez okres czasu, nazywany czasem docisku początkowego. W kolejnym etapie cyklu, przez dociśnięte elementy przepływa prąd o natężeniu (I), przez czas nazywany czasem zgrzewania, tworząc zgrzeinę o określonych wymiarach. W ostatnim etapie cyklu, nazywanym czasem docisku końcowego, występuje stała lub zwiększona siła docisku, przy braku przepływu prądu, która zapobiega utworzeniu jamy skurczowej i ustala ostateczną budowę zgrzeiny.

Powierzchnia części, które mają być zgrzewane powinna być wolna od niepożądanych elementów, takich jak grube warstwy tlenków, zgorzeliny, tuszu, smaru, brudu lub innych substancji, oraz stanów powierzchni oddziałujących szkodliwe na proces zgrzewania. Pokrycia tlenkowe mogą być usunięte przez obróbkę mechaniczną (taką jak szlifowanie lub szczotkowanie szczotką drucianą) lub przez obróbkę chemiczną.
Poprawny dobór parametrów zgrzewania, tj. natężenia prądu, czasu zgrzewania, średnicy roboczej elektrody i siły nacisku, pozwala uzyskać zgrzeinę, która nie tylko łączy trwale zgrzewane materiały, ale i przenosi duże obciążenia (Rys. 6).

Dla każdej maszyny i dla każdej kombinacji materiałowej (takiej jak stop, stan obróbki cieplnej, stan powierzchni i kombinacje grubości) należy określić efektywne ustawienie zgrzewarki dla wytwarzania części produkcyjnych.
W połączeniach zgrzewanych (podobnie jak spawanych) tworzy się wymagania dotyczące wad, które określają w jakim zakresie wykonane złącze zgrzewane odbiega od połączenia wykazującego wzorcowy kształt i strukturę wewnętrzną.W praktyce przemysłowej w trakcie badań kontrolnych procesu zgrzewania poszukuje się następujących niezgodności zewnętrznych na powierzchni zgrzeiny:
- nadmierny wgniot od elektrod,
- nadmierne rozwarcie oraz odstęp elementów łączonych,
- przegrzanie zewnętrzne oraz przetopienie powierzchni w obszarze zgrzeiny,
- nadpalenia w miejscach styku elektrod oraz pozostałości materiału elektrod,
- pęknięcia zewnętrzne, pory, wżery,
oraz poniższych niezgodności wewnętrznych zgrzeiny:
- pęknięcia, pęcherze, pustki, jamy skurczowe, przyklejenia (brak zgrzania),
- zbyt małe lub duże, przesunięte, niesymetryczne jądro zgrzeiny,
- wtrącenia, nadmierne odkształcenia pierwotnej struktury metalu,
- nadmierny rozrost ziaren,
- niewłaściwy rozkład twardości w zgrzeinie,
- kruche struktury hartownicze.
Wykrywanie i eliminacja tych wad ma na celu uzyskanie obliczonego oraz wymaganego przez konstruktora czynnego przekroju zgrzeiny. Ma to znaczny wpływ na wytrzymałość zmęczeniową połączonych tą metodą konstrukcji płatowców. Na rysunkach 7a i 7b przedstawiono wady zgrzein wykryte na podstawie zgładów metalograficznych w trakcie procesu produkcyjnego [10].


Przygotowanie elementów konstrukcji do łączenia za pomocą zgrzewania oporowego wymaga dbałości o czystość powierzchni łączonych elementów, aby różnice oporności w każdym miejscu były zbliżone. Jest to podstawowy warunek do uzyskania powtarzalności wykonanych zgrzein. Dodatkowo elementy konstrukcji muszą zostać zabezpieczone przed oddziaływaniem warunków środowiskowych, które mogą wywoływać korozję.