СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ И РЕЗКИ

Кинематические и технологические параметры

Классификация параметров. Анализ рассмотренных принципи­альных схем соударения металлов при сварке взрывом (см. рис. 12.3 и 12.4) позволяет все параметры, характеризующие процесс, разделить на две группы: внешние — исходные и внутренние — собственно сварочные.

К внешним, исходным параметрам относят:

• параметры свариваемых материалов (физико-механические свойства и геометрические размеры);

• установочные или технологические параметры:

оц) _ установочный угол между пластинами перед сваркой (при осд = 0, что чаще всего используется на практике, у = Щ и скорость контакта vK равна скорости детонации);

h — исходный зазор между пластинами;

Я — высота заряда ВВ;

рв — насыпная плотность заряда ВВ;

тип ВВ, определяющий скорость его детонации при заданных высоте и плотности.

Исходный зазор между пластинами в расчетах измеряется в единицах линейного размера заряда ВВ в зависимости от соотно­шения высот А/Я. Сама высота заряда и насыпная плотность ха­рактеризуют количество примененного ВВ, измеряемого в еди­ницах массы метаемой пластины:

т = рвЯ/(р,6,),

где рв — насыпная плотность заряда ВВ; р, — плотность материала метаемой пластины; 8, — ее толщина.

В подгруппу установочных параметров, определяющих исход­ное взаимное расположение свариваемых пластин в пакете, отне­сены установочные углы (при параллельной схеме у = 0) и рассто­яния (зазоры) Л (см. рис. 12.3) между пластинами, а также разме­ры краевых нависаний L метаемой пластины над неподвижной (рис. 12.8).

В зависимости от характера решаемой технологом конкретной задачи (расчетной или оптимизационной) параметры у и h могут быть как задаваемыми, так и расчетными параметрами. Обычно, в целях уменьшения или устранения так называемых краевых не - проваров, появление которых в основном связано с боковым раз­летом ПД ВВ, вызывающим снижение импульса давления на периферийных участках заготовки, размеры метаемой пластины выбирают несколько большими, чем у неподвижной. В серии ра­бот на основе общей теории идеальной детонации и расчетно­экспериментальных исследований предложены методы расчета пе­риферийных нависаний, которые в обобщенном виде можно све­сти к следующим соотношениям:

LH * (1 ...3)Я; U = Я; LK = (0,5...0,75)Я,

где iH, Z6, LK — начальное, боковое и конечное нависання; Я — высота накладного заряда ВВ.

К внутренним, или кинематическим, параметрам относят ско­рость соударения vc, скорость контакта vK, угол соударения у. Ско-

Рис. 12.8. Определение краевых нависаний метаемой пластины:

1 — заряд взрывчатого вещества; 2 — метаемая пластина; 3 — неподвижная пластина; Ц, Z, K — начальное, бо­ковое, конечное нависання
рость vc частицы метаемой пластины приобретают к моменту ее перпендикулярного соударения с неподвижной. В литературе эта скорость называется скоростью соударения, скоростью движения метаемой пластины, скоростью метания vM.

Скорость соударения vc имеет нижний предел (свой собствен­ный для каждого металла), меньше которого соединение метал­лов не происходит. Постепенное повышение vc выше этого преде­ла приводит к росту размеров волн на контактирующей поверх­ности, повышению степени упрочнения свариваемых металлов и образованию прочного соединения. При чрезмерном увеличении vc деформация становится настолько большой, что пластичность металла исчерпывается и появляются трещины или надрывы.

Скорость контакта vK, с которой происходит «накатывание» метаемой пластины на неподвижную, называют также скоростью движения вершины угла встречи, скоростью точки контакта.

Скорость контакта vK имеет верхний предел, выше которого сварное соединение не образуется. Критическое значение скорос­ти контакта — скорость звука в соединяемых металлах с0. Посте­пенное снижение vK сопровождается образованием сварных со­единений, однако при ее значениях vK > 0,8с0 в соединениях на­блюдают сплошную прослойку расплавленного и закристаллизо­вавшегося металла. Изменение vK в интервале (0,3... 0,8)с0 характе­ризуется наличием волнообразного профиля контактирующей по­верхности с локальными включениями оплавленного металла, а при меньших значениях vK оплавление металлов прекращается.

Скорость метания и скорость контакта связаны между собой через угол соударения у. vc = i;Ksiny.

В то же время

vK = Z)sin a/sin у,

где D — скорость детонации ВВ.

Угол у, образованный наклонным участком метаемой пласти­ны и поверхностью неподвижной пластины, называют углом со­ударения или динамическим углом встречи.

Перечисленные параметры непосредственно влияют на свой­ства получаемых соединений.

Расчет режимов сварки взрывом. На основе разработанной тео­рии производят сварку взрывом трех - и многослойных заготовок. Расчет и оптимизацию режимов сварки ведут с применением раз­работанных программных средств с учетом кинематики разгона пластин в многослойных пакетах.

В общем случае ориентировочный расчет режима сварки взры­вом проводят в следующей последовательности.

1. Определяют скорость метания пластины (по Б. Б.Уварову):

— [1 + (рг'к)м/(р^к)п](0т/р)м ’

где индексами «м» и «п» обозначены соответственно плотность менее и более прочных металлов свариваемой пары; vK = 0,5с0; ат — предел текучести менее прочного металла в паре.

2. Высоту заряда находят по формуле

Н= 2,38pfc(l - 1,3ус)“2/рв,

где 8, р — толщина и плотность метаемого листа; рв — плотность ВВ.

Скорость детонации ВВ D определяют по скорости контакта и схеме сварки: при параллельном расположении свариваемых пла­стин (что наиболее часто употребляется на практике) скорость детонации ВВ равна скорости контакта; при расположении плас­тин под углом а0 скорость детонации рассчитывают по зависимо­сти D= fcsiny/sin(y - щ).

После определения скорости детонации и высоты заряда ВВ подбирают тип ВВ, состоящий из смеси аммония 6ЖВ и аммиач­ной селитры.

Взрывчатые вещества для сварки. Взрывчатые вещества пред­ставляют собой относительно неустойчивые в термодинамичес­ком смысле системы, способные под влиянием определенных внешних воздействий к весьма ускоренным экзотермическим пре­вращениям, сопровождающимся образованием сильно нагретых газов или паров, которые благодаря исключительно большой ско­рости химической реакции практически занимают в первый мо­мент времени объемы самого ВВ и находятся в сжатом состоянии. Вследствие этого в месте взрыва давление повышается до десят­ков и сотен гигапаскалей.

Возбуждение и передача детонации по заряду взрывчатого ве­щества вызывают распространение в нем ударной волны. При оп­ределенном для данного ВВ уровне параметров (давления, темпе­ратуры) за фронтом ударной волны возникает интенсивная хи­мическая реакция, энергия которой поддерживает постоянство параметров этой волны и стационарный характер процесса. Рас­пространяющаяся по ВВ вместе с зоной химического превраще­ния ударная волна называется детонационной, а скорость, с кото­рой она перемещается по ВВ, — скоростью детонации.

В действительности химические превращения ВВ совершаются не мгновенно, а в некоторой зоне реакции, протяженность кото­рой зависит от свойств ВВ. Для взрывчатых веществ, обычно ис­пользуемых при сварке взрывом, зона реакции достигает 12... 20 мм.

Скорость детонации для каждого ВВ в определенных условиях взрывания — величина постоянная, но вместе с тем может изме­няться в широких пределах в зависимости от совокупного влия­ния различных факторов: диаметра заряда, плотности, дисперс­ности ВВ, влажности. Значение ее определяется главным образом теплотой взрыва, а также плотностью и составом ВВ.

Подготовка образцов под сварку. Для устранения вредного вли­яния загрязнений применяют очистку свариваемых деталей. Наи­более часто применяют химическую, термическую и механичес­кую очистку. Механическую очистку применяют с последующим обезжириванием.

Наиболее распространенным и производительным способом механической очистки является очистка свариваемых поверхностей металлическими щетками, которые изготавливают из тонкой сталь­ной проволоки диаметром 0,08...0,3 мм. Окружная скорость враще­ния должна составлять 10... 16,5 м/с, диаметр щеток 135... 180мм, длина выступающих концов проволок составляет 20...40 мм. В ис­ключительных случаях применяют строжку и фрезерование.

После очистки свариваемых поверхностей необходима опера­ция обезжиривания. При сварке взрывом наибольшее распростра­нение получили органические растворители. Все растворители можно разделить на две группы: горючие (бензин, керосин, уайт- спирит, бензол); негорючие (трихлорэтилен, тетрахлорэтилен, четыреххлористый углерод).

Применение негорючих растворителей более безопасно, хотя следует помнить, что некоторые из них при высокой температуре разлагаются с образованием ядовитых соединений. Обезжиривать трихлорэтиленом можно различные стали, медь и ее сплавы, ни­кель. Следует избегать обработки им алюминия, магния и их спла­вов. Кроме того, этот растворитель в присутствии влаги гидроли­зуется с образованием соляной кислоты.

Тетрахлорэтилен более устойчив к воздействию влаги и повы­шенной температуре. Его можно применять для обезжиривания всех металлов. Тетрахлорэтилен по сравнению с бензином значи­тельно лучше очищает поверхность металлов от механических за­грязнений, растворяет большинство жиров, масла, смолы, воск и деготь.

После обезжиривания свариваемые поверхности нельзя тро­гать руками из-за возможности внесения загрязнений и ухудше­ния свариваемости. Поэтому проводить обезжиривание необходи­мо непосредственно перед сборкой пакета под сварку и принять специальные меры для устранения возможности попадания за­грязнений на свариваемые поверхности^

Сборка пакетов под сварку и инициирование зарядов ВВ. Для проведения сварки взрывом необходимо, чтобы свариваемые пла­стины располагались на определенном расстоянии друг от друга и высота заряда над всей метаемой пластиной сохранялась одина­ковой.

Расчетная высота заряда над всей пластиной обеспечивается благодаря применению специальных контейнеров под ВВ. Как правило, их изготовляют из плотного картона и в виде открытой сверху коробки с дном, в котором вырезано отверстие по размеру неподвижной пластины. Дно вырезают для того, чтобы ВВ непо­средственно прилегало к поверхности пластины, иначе прослой­ка воздуха между картоном и пластиной разрушает поверхность последней.

Особое внимание отводится способу инициирования ВВ, так как он определяет форму детонационного фронта, распространя­ющегося по заряду. Высококачественное соединение представля­ется возможным получить, если вдоль пластины распространяет­ся плоский или слегка выпуклый фронт детонационной волны. Для достижения такого фронта детонации необходимы специаль­ные методы инициирования.

Особую роль при сварке взрывом отводят устройству основа­ний, на которых расположены заготовки. Так как после сварки основание приобретает некоторую скорость, то процесс тормо­жения должен проходить равномерно по всей его поверхности. Поэтому основание должно иметь одинаковые плотность и проч­ность по всей поверхности. Если в основании встречаются мест­ные несовершенства — камни, металлические обломки и т. п., то процесс торможения становится неравномерным и сваренная за­готовка приобретает местные вмятины и выпуклости.

При одинаковых свойствах основания процесс сварки взрывом можно производить как на «мягких» основах — песок, грунт, де­ревянная плита и т. п., так и на твердых — бетон, скальные поро­ды, металлический лист. Хорошо зарекомендовали себя основа­ния из металлической дроби.

Во всех случаях опора после сварки взрывом разрушается (ме­таллическая плита выдерживает 15 — 20 подрывов). После каждого подрыва ее необходимо восстанавливать. Поэтому наиболее рацио­нальны опоры из легко восстанавливаемых материалов — песок или дробь.

Последовательность сборки пакета под сварку исходя из изло­женного предлагают следующую:

• подготавливают основание;

• на установочные штыри устанавливают метаемую пластину с сохранением требуемых нависаний (при необходимости поверх­ности пластин дополнительно обезжиривают);

• на метаемую пластину устанавливают контейнер под ВВ;

• засыпают контейнер ВВ.

Подготовка ВВ и монтаж электровзрывной цепи. Стабильность свойств применяемых ВВ решающим образом сказывается на свой­ствах получаемых заготовок. Поэтому вопросу обеспечения нуж­ных характеристик ВВ при разработке технологии сварки взрывом уделяют большое внимание. Скорость контакта при взрыве должна составлять 0,4—0,6 скорости распространения звука в свариваемом металле. Так как скорость звука для подавляющего большинства металлов находится в интервале 4...6 км/с, то для сварки требуют­ся ВВ со скоростями детонации 2...3 км/с независимо от приме­ненной высоты заряда. Количество ВВ определяется скоростью метания и массой метаемой пластины, поэтому для сварки взры­вом применяют разные слои зарядов — от нескольких милли­метров до 20 см. Скорость же детонации в большей степени зави­сит от слоя заряда, поэтому подбор типа ВВ представляет собой более сложную задачу. Трудности возникают вследствие того, что свойства ВВ зависят от окружающей среды — ее влажности, тем­пературы, времени пребывания ВВ на воздухе и других причин. Дополнительные трудности вызывает то обстоятельство, что ВВ, изготовляемые промышленностью, в большинстве случаев не при­годны для сварки из-за высокой скорости детонации. Наиболее применимы ВВ на основе аммиачной селитры — аммониты, ам - матолы.

В практике сварки взрывом нашли широкое применение ВВ, состоящие из смеси аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой. При сварке взрывом используются насыпные ВВ, так как их плотность легко сохранять в довольно узких пределах. Опытные данные по­казывают, что аммонит 6ЖВ имеет плотность 0,8...0,9 г/см3, сме­си аммонита с аммиачной селитрой — 0,9... 1 г/см3.

Электродетонатор устанавливают после монтажа боевой цепи.

После подрыва при отсутствии отказов подходят к месту взры­ва не раньше чем через 5 мин. При наличии отказов к месту взры­ва разрешается подходить не раньше чем через 15 мин.

Основной причиной, снижающей свойства соединений, счи­тают увеличение длительности контакта свариваемых металлов с облаком частиц выносимого металла, имеющих высокую темпе­ратуру.