СОЕДИНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В ТВЕРДОЙ ФАЗЕ

СВАРКА С ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫМ СИЛОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ

Способы сварки с высокоинтенснвным силовым воздействием взрывом и магнитно-импульсная являются разновидностью сое­динений в твердой фазе. Они характеризуются высокой скоростью соударения соединяемых деталей и малой длительностью про­цесса. Эти особенности способов сварки с высокоинтенсивным силовым воздействием делают их перспективным технологическим процессом для соединения широкого класса материалов и, осо­бенно, композиционных материалов, когда сохранение заранее организованной структуры является основным требованием к технологии соединения. В настоящее время сваркой взрывом и магнитно-импульсной сваркой соединяют самые разнообразные (компактные и порошковые) металлы и сплавы [156, 157], полу­чают слоистые композиционные (два, три и более слоев) материалы [158], осуществляют сложное формоизменение материалов [159, 160].

Процессы образования соединения при сварке взрывом и магнитно-импульсной сварке объясняют в основном с позиций физики взрыва и гидродинамики [161—164]. Такой подход к ана­лизу процесса, по-видимому, не исключает возможности рассма­тривать эти способы сварки с позиций необходимости активации атомов контактных поверхностей и их схватывания. Гидродина­мическая теория основана на внешних признаках процесса и не рассматривает энергетических условий образования физического контакта, активации контактных поверхностей и возможных проявлений релаксации, т. е. не рассматривает его на атомном уровне. Естественно, что данные о формоизменении в зоне соеди­нения при сварке взрывом могут быть успешно использованы для расчета длительности протекания отдельных стадий процесса и их энергетических оценок. Знание таких характеристик необходимо для расчетного определения параметров режима сварки взрывом

[165] . Первые попытки такого подхода к анализу сварки взрывом сделаны в работах [166—168].

В указанных работах показано, что сварка взрывом обладает благоприятными термодеформационнымн условиями для соеди­нения ряда трудносвариваемых металлов, благодаря чрезвычай­ной локализации пластической деформации материала в тонких приповерхностных слоях, которая протекает со скоростями 105-т-106 с-1. Кратковременность процесса сварки взрывом (боль­шинство исследователей считают, что длительность сварки взры­вом составляет — 1СГ6 с'1) практически исключает возможность развития в зоне соединения рекристаллизационных процессов (при сварке однородных материалов) или образования новых фаз (при сварке разнородных материалов), несмотря даже на то, что температура в зоне соединения в момент соударения, по данным И. Д. Захаренко и Ф. И. Матвеенкова, может достигать 900— 950° С. Эти особенности сварки взрывом позволяют предположить, что прочность соединения определяется числом атомов, образовав­ших химические связи, и релаксацией упругих напряжений в той мере, в какой это необходимо для сохранения возникших связей [2].

В соответствии с существующими представлениями для полу­чения соединения при сварке взрывом необходимо выполнить три условия: цк < с0, Р ^ Рсв и emax ^ emln (oh — скорость точки контакта, с0 — скорость звука, Р — реализуемое при соуда­рении давление, Рсв—минимальное давление сварки, етах и ешіп — реализуемая и необходимая величины пластической де­формации в зоне сварки), которые не учитывают длительности взаимодействия. По существу, такая трактовка процесса не учи­тывает необходимости релаксации напряжений в зоне соединения в качестве условия получения качественного соединения.

Из практики сварки взрывом хорошо известны факты образо­вания оплавленных участков в зоне соударения, существенно снижающих коррозионную стойкость сварных соединений, и огра­ничения минимальных толщин свариваемых листов. Эти факты пытаются обычно объяснить с позиций механики соударения (кри-
тнческое соотношение масс или толщин метаемого и стационарного элементов, избыточное или недостаточное количество кинетиче­ской энергии и т. д.).

Ниже будет показано, что появление оплавленных участков в зоне соединения или ограничение минимальной толщины сва­риваемого листа связано с соотношением длительностей актива­ции всей контактной поверхности, релаксации упругих напряже­ний в зоне соединения (в области активных центров) и взаимо­действия. Известные типичные зависимости прочности соедине­ний от параметров сварки взрывом показывают, что получение качественного соединения возможно в некоторой оптимальной области значений скорости соударения, давления соударения и исходных зазоров между свариваемыми листами (рис. 70).

В работе [169] установлено, что обобщающим параметром сварки взрывом может быть величина пластической деформации материала в зоне соединения.

Экспериментальные исследования по сварке взрывом стали 10 со сталью 12Х18Н10Т (толщина листов по 7 мм) показывают, что зависимость относительной прочности от деформации в зоне сое­динения (определялась по методике А. Н. Кривенцова) имеет вид, представленный на рис. 71. Данные металлографических иссле­дований показывают, что в точке К (екр 0,3; а 1) оплавлен­ных участков нет, а в точке В (епр = 0,9, а > 1) оплавленные участки имеются.

Рис. 70. Типичные зависимости прочности соединений при сварке взрывом от скорости со­ударения (а); давления соуда - рения (6); начальных устано­вочных зазоров между свари­ваемыми пластинами (в)

Поскольку при сварке взры­вом стадия объемного взаимодей­ствия ограничена образованием в зоне контакта межатомных свя­зей, постольку относительная прочность соединения о связана с числом активных центров С н их площадью S соотношением

cr = CS. (172)

Даксимальная прочность свар­ного соединения будет достигнута тогда, когда С будет равно макси­мально возможному числу актив­ных центров. С учетом этого урав­нение (98) можно переписать в виде

Стт = Иа, (173)

где 1Л — длительность активации всей контактной поверхности при частоте образования активных центров X.

Тогда с учетом соотношения (96) и принимая в уравнении (172) ст = 1 (условие максимальной прочности), получим

= (174)

eS

где L0 = (г1/'2, а р определяется (для значительных деформаций) по уравнению (168).

Оценки по уравнению (168) показывают, что для точки К (см. рис. 71) величина р = 1010 см“2, а для точки В величина р = І О11 см2. При этом значения L0 для точек К и В равны соот­ветственно 10 5 и 3-Ю'6 см.

Значение S в уравнении (174) в соответствии с ранее приведен­ными оценками примем равным КГ11 см2.

Принимая далее, что є = є/t (t — длительность сварки взры­вом, равная 10 0 с) и b = 3 -1СГ8 см, получим для точки К — ta «=* «=> 10~7 с и для точки В— ta ^ 10 8 с.

Релаксация напряжений во временном отношении может быть определена зависимостью [170]:

tr = t0ex р(-^г), (175)

где (0 КГ13 с;

Е —- энергия активации процесса, контролирующего релак­сацию напряжений.

Для определения длительности релаксации напряжений по Уравнению (175) необходимо знать л”митирующий ее про­цесс. Можно предположить, что при і 'отностях дислокаций Ю10-г-Юп см-2 релаксация напряжений контролируется само -

диффузией по трубкам дислокаций. Поэтому в качестве Е можно использовать величину энергии активации самодиффузии по гра - ницам зерен, которая, по данным [171 ], в температурной области 840—970° С для y-Fe составляет 30 ккал/моль. При таком допу­щении получим /р?«10~т с.

Таким образом, в точке К (е = 0,3, оплавленных участков нет) ta ^ ip, а в точке В (е = 0,9, оплавленные участки есть) 4 < V Можно предположить, что когда релаксация напряжений не успе­вает произойти за длительность активации всей контактной по­верхности, в зоне соединения появляются оплавленные участки. Поэтому условие получения качественного соединения при сварке взрывом можно записать в виде

/,^/р. (176)

При сварке взрывом длительность существования контактных напряжений, т. е. длительность взаимодействия tB определяется продолжительностью существования в зоне контакта напряжений сжатия, действие которых «снимается» волной разгрузки. Анализ формирования и распространения продольных волн для случаев соударения однородных упругих стержней равных сечений, при­веденный в работе [172], показывает, что волна разгрузки, иду­щая от свободного конца ударника, совпадает по направлению с массовой скоростью и поэтому не является волной растяжения, которая формируется при таком соударении только со стороны свободного конца приемника, где направление волны разгрузки противоположно массовой скорости. Из этого следует, что при сварке взрывом плоских соединений в момент соударения пластин первичная волна растяжения будет формироваться только со стороны свободной поверхности стационарного элемента, а со свободной поверхности метаемого элемента распространяется волна разгрузки, снимающая напряжения сжатия. Поэтому пер­вичная волна разгрузки, приходящая в зону соединения, будет однозначно волной растяжения только в случае, когда толщина метаемого элемента больше толщины стационарного элемента (6М > 8СТ—обратная схема сварки). В случае, когда 6Ы < бст, первичная волна разгрузки, приходящая в зону соединения со стороны свободной поверхности метаемого элемента, не является волной растяжения, а вторичная волна разгрузки, приходящая в зону соединения со стороны внешней поверхности стационар­ного элемента, является волной растяжения.

Естественно, что для получения качественного соединения при сварке взрывом за длительность взаимодействия tB должны успеть пройти процессы активации контактных поверхностей и релакса­ции напряжений в зоне соединения. В противном случае актива­ция всей контактной поверхности или не успевает произойти, или образовавшиеся химические связи частично или полностью раз­рушаются.

Согласно существующим представлениям 1168], длитель­ность взаимодействия при сварке взрывом не является лимитирующим фактором, если образующееся соединение спо­собно выдержать растягиваю­щие напряжения волн разгруз­ки. Такая трактовка процесса сварки взрывом не учитывает скорости активации контактных поверхностей и релаксации на­пряжений в зоне соединения (вокруг активных центров) и, следовательно, необходимости релаксации напряжений как условия формирования качествен­ного соединения. Ниже показано, что ограничение минимальной толщины свариваемого элемента при сварке взрывом связано с недостаточной длительностью взаимодействия.

На рис. 72 показана зависимость относительной прочности соединения от длительности взаимодействия при сварке взрывом стали 10 со сталью 12Х18Н10Т. Однозначное определение дли­тельности взаимодействия при сварке достигалось «снятием» на­пряжений сжатия в точке контакта волной растяжения, отражен­ной от свободной поверхности стационарной пластины, тол­щина которой была всегда меньше толщины метаемой пластины (6М = 10 мм). Одинаковая интенсивность волны растяжения обе­спечивалась идентичностью условий на границе отражения при постоянной величине давления соударения (80 кбар). Различная длительность взаимодействия обеспечивалась изменением тол­щины стационарной пластины и определялась по уравнению

/„=-^2-, (177)

С0

где с0 — скорость звука, равная для стали 5-105 см/с.

Одинаковые условия активации контактных поверхно­стей обеспечивались постоянным значением деформации мате­риала в зоне контакта е = 0,3 при постоянном давлении соуда­рения.

Такая деформация обеспечивала также выполнение условия (176). Эта зависимость показывает, что по мере увеличения дли­тельности взаимодействия прочность соединения увеличивается к при tD «=* КГ6 с достигает прочности основного металла. Эта величина tB больше величины длительности активации всей кон­тактной поверхности, которая ранее (при деформации в зоне кон­такта є = 0,3) по уравнению (174) была определена равной 10~7 с.

Поэтому другое условие получения качественного соединения При сварке взрывом может быть записано в виде:

(П*1

Смысл этого неравенства состоит в том, что активация всей контактной поверхности и образование химических связей должны произойти раньше, чем волна растяжения придет в зону соедине­ния. В случае когда /„ ^ активация всей контактной повер ности не успевает произойти пли образующиеся связи частично или полностью разрушаются волной растяжения (при определеї ных значениях ее интенсивности). С учетом условий (176) и (17М| общее условие получения качественного соединения при свары взрывом может быть записано в виде

tB>ta^tp. (179)

В этом условии косвенным образом учтены все параметры сварки взрывом и свойства свариваемых материалов. В частности,

зависит от физико-химического состояния контактных поверх­ностей в момент соударения и величины деформации материала в зоне соединения, а следовательно, от свойств взрывчатого су­щества, насыпной массы, скоростей детонации н соударения, дав­ления в зоне соударения и др. Величина /р зависит от релаксацион ных характеристик материала и температуры в зоне взанмодей ствия. Величина tB зависит от толщины элемента, скорости звука, схемы процесса

Условие (179) позволяет определять минимальную толщину стационарного элемента, при которой возможно получение ка­чественного соединения. С учетом уравнения (174) выражение для 6СТ (min) может быть записано в виде:

6ст(,т„)>-^. (180)

Электронно-микроскопические фрактографические исследова­ния изломов образцов биметаллов показывают, что, когда соеди­нения имеют низкую прочность (о = 0,3), т. е. при малых длитель­ностях взаимодействия, разрушение происходит по зоне соедине­ния (рис. 73, а, б). Участки непровара (расслоя) в этом случае занимают основную долю поверхности соединения, а доля уча­стков вязкого отрыва (рис. 73, в) не превышает 25% и увеличи­вается с ростом длительности взаимодействия. Характер изломов соединений, имеющих о = 0,9, преимущественно вязкий, причем разрушение происходит как по зоне соединения (рис. 74, а), так и по менее прочному материалу — стали 10 (рис. 74, б). Доля участков расслоя не превышает 5% (рис. 74, в).

Эти данные косвенно подтверждают необходимость выполне­ния при сварке взрывом условия (179).

Сварка взрывом по большой площади соединения обычно осуществляется по схеме метания более тонкого элемента (плаки-

) ЖШг

■%шЩ > •*

•Чї,, <

,ч5> ^ 't °

,>vm “%х

Рис. 73. Электронномикроскопическая

Фрактография изломов сварных соедине­ний при недостаточной длительности взаимодействия: о* 6 — участки непровара (расслоя), X 8000; в — вязкий отрыв по зоне соеди­нения, X 7000

Рис. 75.^ Общий вид установки для магнитно-импульсной сварки УМИС-02/20

рующего слоя) на стационарный элемент (основной металл), т. е. 6М < 8СТ. Возможность получения равнопрочного соедине­ния по «обратной схеме» (6М > 6СТ) неоднократно ставилась под сомнение. Полученные данные свидетельствуют о том, что сварка взрывом по «обратной схеме» возможна при выполнении условия (179) и является более простой для получения биметаллов боль­шой площади с минимальной толщиной плакирующего слоя.

Эксперименты по магнитно-импульсной сварке выполняли на установке УМИС-02/20[3], общий вид которой показан на рис. 75, имеющей максимальную энергию магнитногои мпульса 20 кДж, частоту разрядного тока 25 кГц, период разрядного тока 40 мкс. Длина рабочей зоны концентратора магнитного поля составляла 0,15 см и диаметр — 0,12 см. Исследовали сварку меди с медью и алюминием, для этого использовали трубчатые образцы, форма которых и положение перед сваркой показаны на рис. 76. Свар­ные соединения испытывали на срез по схеме на рис. 77.

Основными (регулируемыми) параметрами магнитно-импульс­ной сварки являются энергия магнитного импульса W, зазор между стационарным и метаемым элементами h и толщина метае­мого элемента 6. Производными этих параметров являются ско-

прокладна-[4]*' 6 -“цедирующее Р°СТЬ СОудареНИЯ МЄТаЄМОГО ЗЛЄ - кольцо из текстолита мента V И ДЛИТвЛЬНОСТЬ ЄГО ДВИ-

жения t. Независимым парамет­ром (характеристикой установки) является длительность дей­ствия магнитного импульса /д.

Для определения значения t (в зависимости от W, б, h) и tR был применен метод осциллографирования процесса с исполь­зованием электронного импульсного осциллографа ОК-17М. На рис. 78 в качестве примера показаны осциллограммы разрядного тока и движения метаемой алюминиевой трубки. Полученные на основе данных многочисленных осциллограмм зависимости t (h) для различных IP' и б при сварке меди с медью и алюминием приведены на рис. 79. Полученные на основе этих данных с по­мощью графического дифференцирования значения v в зависи­мости от h при различных б приведены на рис. 80.

Зависимость относительной прочности на срез сварных соединений от значений h при различных W и б приве­дены на рис. 81.

5 10 15 20 25 ЗО 35 t. mc О 5 10 15 20 25 ЗО 35 t. mc

Рис. 79. Зависимость t (ft) при сварке меди с медью (а) и алюминием (б):

I — W = 8,6 кДж; 2 — 7.0; 3 — 4,6; 4 — 6 = 0.5 мм; 5 — 1.0; 6 — 1,5

0 0.25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 (75 О 0.25 0.50 0.75 1,00 1.25 (50 (75 О, т

Рис. 80. Зависимость и (ft) при сварке меди с медью (а) и алюминием (б):

/ — W = 8,6 кДж; 2 — 7,0; 3 — 4,6; 4 — 6 = 0,5 мм; 5 — 1,0; 6 — 1,5

1>3____ Ь^_1____ I__ ^____ I___ 1___II____ I------------------------------- I---- I------ I------ 1 1 1

0,25 0,50 0,75 (00 (25 (50 (75 О 0,25 0,50 0,75 (00 1,25 (50 (750,0/1

Рис. 81. Зависимость т (ft) при сварке меди с медью (о) и алюминием (6)1 / — ю = 8,6 кДж; 2 — 7,0; 3 — 4.6; 4 — 6 = 0,5 мм; 5 — 1,0; 6 — 1.5

Рис. 82. Структура зон соединений: а — прн сварке меди с медью (W = 8,6 кДж, 6 = 0,5 мм, h = 1,5 мм): б — при сварке меди с алюминием (U7 = 7,0 кДж, 6 = 1,0 мм, h — 1,0 мм). X 200

Металлографические исследования зон соединений показывают (рис. 82), что при сварке меди с медью не происходит образования общих зерен, а при сварке меди с алюминием образования новой фазы не происходит.

Под длительностью взаимодействия tK при магнитно-импульс­ной сварке будем понимать длительность существования в зоне контакта напряжений сжатия, действие которых может ограничи­ваться величиной /д (в этом случае tB = tR— t) или сниматься вол­ной разгрузки (в этом случае, т. е. при t ^ tR, tn = 26/с0). Ясно, что какие-либо заданные параметры сварки обеспечат получение равнопрочного соединения, если будет выполнено условие [178].

Для последующих оценок необходимо знать скорость пласти­ческой деформации є металла метаемой трубки в момент соуда­рения. Разумно считать, что є = в It, а величину деформации ме­таемой трубки можно определить, основываясь на данных экспе­риментальных наблюдений, показывающих, что толщина стенки метаемой трубки после сварки остается такой же, как и до сварки. Поэтому величину деформации є определим как отношение SJS2, где — площадь сечения стенки метаемой трубки после сварки (когда ее внутренний диаметр стал равным наружному диаметру Неподвижной трубки); S2 — соответствующая площадь до сварки.

Воспользовавшись полученными значениями є (h) по уравне­нию (174) оценим значения ta при параметрах сварки, обеспечи­вающих равнопрочность сварного соединения основному металлу.

15 2,0 h, HH

Рис. 83. Зависимость t& (Л). і}і (Л) и т (Л) при сварке меди с медью (я) и

алюминием (6):

/ — 6 = 0,5 мм; 2 — 1,0; 3 — 1,5

Оценки показывают, что при W = 4,6 кДж, 6 = 0,05 см и ^ = 0,15 см величина ta ^ 16 мкс; при 11? = 7,0 кДж, 6 = ^ 0,05 см и h = 0,1 см величина 4 *=» 20 мкс; при W = 7,0 кДж, g = 0,l см и /і = 0,125 см величина ta я» 19 мкс; при W = == 7,0 кДж, б = 0,15 и h = 0,15 величина /а ^ 15 мкс и т. д.

Можно предположить, что, когда т —* 1 и достигает 1, то I 4- При таком предположении следует, что, когда т —» 1 и достигает 1, тогда ta + t = 34-ъ35 мкс. Эта величина представ­ляет собой, видимо, эффективную длительность действия магнит­ного импульса /д. С учетом этого далее длительность взаимодей­ствия 4 будем определять как разность между 4 и t.

Оценим значения ta при параметрах сварки, которые не обе­спечивают получение равнопрочного соединения, и сопоставим их с соответствующими значениями /в. Результаты этих оценок в виде зависимостей 4 (h) и 4 (h) ПРИ различных значениях W и б представлены на рис. 83. Там же показаны зависимости т (/г), заимствованные из рис. 81. Видно, что при сочетаниях параметров W, б и h, для которых т < 1, имеет место неравенство: 4 > 4- Таким образом, низкую прочность сварных соединений при не­которых параметрах сварки можно объяснить тем, что они обеспе­чивают такую скорость пластической деформации в момент соуда­рения, при которой активация всей контактной поверхности не успевает произойти за соответствующую (данным параметрам) длительность взаимодействия.