СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ И РЕЗКИ

Сварка взрывом

Сварка взрывом — это способ сварки давлением, при котором для сближения, активации и схватывания поверхностей использу­ют энергию детонации (мгновенной химической реакции) взрыв­чатого вещества (ВВ), создающую мощное ускорение и сжатие сва­риваемых деталей. Одновременно происходит очистка свариваемых поверхностей путем «сдувания» поверхностного тонкого слоя ме­талла интенсивной направленной плоской (кумулятивной) стру­ей, возникающей по линии взрывного соударения свариваемых деталей.

Источником мгновенного ускорения тел и их сжатия может быть также импульсное электромагнитное поле (при магнитно-импуль - сной сварке) или энергия взрыва электрического проводника при пропускании через него разрядного тока от батареи конденсато­ров. Во всех этих случаях при мгновенном схватывании — суть протекающих процессов и явлений в твердых телах остается неиз­менной: схватывание тел при их соударении происходит с боль­шими скоростями.

В 1944— 1946 гг. в СССР при изучении кумулятивного эффекта группой исследователей под руководством академика М. А. Лав­рентьева было получено монолитное соединение двух собранных соосно и обжатых наружным зарядом ВВ металлических конусов. На поверхности соединения наблюдались характерные для сварки взрывом волны.

Второе «рождение» сварки взрывом совпало с бурным разви­тием новых отраслей промышленности, в первую очередь аэро­космической, атомной, химической, которые остро нуждались в высококачественных биметаллических и многослойных материа­лах, сочетающих в себе высокую удельную прочность, техноло­гичность изготовления и достаточно низкую стоимость. В 1958 — 1959 гг. сообщения о сварке взрывом (практически одновремен­но) сделали американские ученые Д. Пирсон и В. Филипчук.

В СССР фундаментальные работы по сварке взрывом были на­чаты в 1961 г. в новосибирском Институте гидродинамики СО АН СССР. Группой исследователей в составе В. С. Седых, А. А. Дериба­са, Е. Н. Биченкова, Ю. А.Тришина, руководимой академиком М. А. Лаврентьевым, были выполнены экспериментальные работы, при которых удалось получить качественные сварные соединения.

В 1962 г. В. С. Седых и П. О. Пашков продолжили широкие ис­следования нового и перспективного технологического процесса по металлообработке взрывом в Волгоградском политехническом институте (ныне Волгоградский государственный технический университет). Здесь ими были заложены основы научной школы сварки взрывом. Позднее процессы сварки взрывом активно ис­следовали в Институте электросварки им. Е. О.Патона, Белорус­ском политехническом институте, Алтайском НИИ технологии машиностроения, Московском институте стали и сплавов (техни­ческом университете), ЦНИИ «Прометей».

Сварка взрывом относится к твердофазным, бездиффузионным способам сварки давлением, в грубом упрощении — родствен­ным сварке ковкой. Различия заключаются лишь в величине дав­лений и скорости протекания деформационных процессов в зоне контакта металлов.

При сварке взрывом полного физического контакта соединяе­мых поверхностей достигают за счет высокоскоростного соударе­ния. При этом метаемая пластина соударяется с неподвижной не по всей поверхности сразу, а под углом (рис. 12.1).

Соударение пластин начинается по линии, после чего область соударения постепенно увеличивается. Пластина как бы накаты­вается на другую. При такой схеме соударения в зоне соединения по линии происходит значительная пластическая деформация, металл приобретает состояние сверхпластичности, при котором формируется волнообразный профиль контактирующих поверх­ностей (рис. 12.2).

Высокоскоростное соударение тел при сварке взрывом сопро­вождается рядом эффектов: явление волнообразования, кумуля­ция и схватывание тел. При этом в зоне соударения протекают интенсивные локализованные пластические деформации.

Принципиальные схемы и параметры сварки взрывом. Извест­ны несколько десятков рабочих технологических схем сварки ме­таллов взрывом. Их общий признак: разгоняющее действие про­дуктов детонации (ПД) ВВ на метаемый элемент и его косое со­ударение с другими элементами. Несмотря на разнообразие тех­нологических схем, в их основе лежат две принципиально разные схемы: угловая и параллельная (рис. 12.3).

Рис. 12.1. Модель сварки взрывом по линии качения:

I — метаемая деталь; 2 — условное тело нака­тывания; 3 — ось накатывания; 4 — непод­вижная деталь; стрелкой показано направле­ние накатывания

Рис. 12.2. Сварное соединение, по­лученное сваркой взрывом, в ре­жиме волнообразования:

а — медных пластин; 6 — пакета пла­стин; 1 — сплав АМг; 2 — волны; 3 — прослойки из алюминия; 4 — титано­вая пластина

Изначально свариваемые пластины 3 и 4 устанавливают друг над другом на некотором расстоянии с зазором h, необходимым для разгона метаемой пластины до определенной скорости, под установочным утлом щ (рис. 12.3, а) или параллельно друг другу (рис. 12.3, б). На метаемую пластину 3 помещают заряд ВВ 2 высо­той Я, инициирование которого осуществляют детонатором 1, Собранный таким образом пакет размещают на плотном основа­нии 5 (песок, грунт, дробь, стальная плита, бетон и др.).

После инициирования заряда ВВ по нему распространяется фронт детонации со скоростью D (несколько тысяч метров в се­кунду). Под действием высокого давления расширяющихся ПД м'етаемая пластина, изгибаясь на угол р (рис. 12.4), разгоняется до скорости vc (несколько сотен метров в секунду) и соударяется с неподвижной пластиной под некоторым углом у = ао + (3, верши­на которого (линия или точка контакта) перемещается вдоль не­подвижной пластины со скоростью контакта vK в направлении распространения детонации. Вследствие высоких скорости соуда­рения vc и давления в окрестности линии контакта реализуются условия, обеспечивающие интенсивное совместное пластическое деформирование свариваемых металлов, приводящее к образова-

Рис. J2.3. Принципиальные схемы сварки взрывом двухслойных загото­вок — угловая (а, б) и параллельная (в, г):

а, в — исходное положение перед взрывом; б, г — в процессе распространения детонации по заряду взрывчатых веществ; 1 — детонатор; 2 — заряд взрывчатых веществ; 3 — метаемая пластина; 4 — неподвижная пластина; 5 — основание; h — первоначальный зазор; Оо — установочный угол; Н — толщина слоя взрыв­чатых веществ; ПД — продукты детонации

нию физического контакта, активации поверхностей и формиро­ванию соединения.

Задавая утлы и значения скоростей (D, vK и г/с) их можно свя­зать тригонометрическими соотношениями (см. рис. 12.4):

vc = 2Z)sinO,5(y - осо); у = осо + Р; vK = Z)sin(y - Oo)/siny.

На первом этапе процесса сварки взрывом угловая схема (см. рис. 12.3, а, б) являлась наиболее распространенной. Это было свя­зано с применением мощных ВВ со скоростями детонации Д пре­вышающими скорость звука в металле с0.

Для обеспечения возможности пластического течения металла перед точкой контакта необходимо условие vK < с0, которое реа­лизовывалось в угловой схеме снижением скорости контакта vK за счет подбора соответствующего значения Oq.

Недостаток угловой схемы состоит в том, что по мере удале­ния от точки инициирования заряда ВВ зазор h существенно воз­растает, приводя к соответствующему изменению условий соуда­рения по длине свариваемой заготовки и анизотропии свойств полученного многослойного материала.

Поэтому в дальнейшем угловая схема не нашла широкого при­менения, ее используют лишь в исследовательских целях, позво­ляя в широком диапазоне изменять икиу путем варьирования Oq.

В отличие от угловой при параллельной схеме, когда осо = 0 (см. рис. 12.3, в, г), сварка происходит с постоянными значениями h, у, vc и vK. Это позволяет использовать параллельную схему при ре­шении большинства практических задач.

Для получения многослойных материалов параллельная схема позволяет соединять между собой более трех пластин за счет энер­гии, выделяющейся при детонации одного накладного заряда ВВ (рис. 12.5).

При параллельной схеме расположения свариваемых элемен­тов уравнения, которые определяют кинематические параметры процесса сварки, существенно упрощаются:

vc = 2Z)sinO,5y; у = Р; vK = D.

Процесс сварки при параллельной схеме расположения сварива­емых элементов развивается следующим образом (см. рис. 12.3, в, г). 4^

Рис. 12.5. Схема сварки взрывом многослойных панелей:

1 — пластины; 2 — основание; 3 — за­зоры; 4 ~ детонатор; 5 — заряд взрыв­чатого вещества; 6 — фальшпластина; 7 — демпфирующий слой

Над всей поверхностью метаемой детали помещается заряд 2 ВВ на заданной высоте Н. После подрыва детонатором 1 заряд 2 взры­вается.

Фронт детонационной волны ПД распространяется со скоро­стью 2ООО...8ООО м/с. Образующиеся газообразные ПД со скоро­стью 1 ООО...6ООО м/с расширяются, давят на метаемую деталь 3, которая со скоростью vc соударяется с неподвижной деталью 4 и дважды перегибается. Ее наклонный участок со скоростью vK, рав­ной скорости детонационной волны, движется за фронтом этой волны. В окрестностях вершины угла соударения у развивается дав­ление порядка 10 ГПа, под действием которого оксидные пленки и загрязнения разрушаются и выносятся с поверхности деталей кумулятивной струей Кэ. Очищенные поверхности, соударяясь, деформируются и образуют сварное соединение.

С увеличением скоростей соударения vc и контакта vK сварива­емых деталей растет мощность кумулятивной струи и соответствен­но суммарная толщина материала А, удаляемого с обеих поверх­ностей, которая может составлять 15...60 мкм (рис. 12.6). Однако при околозвуковых скоростях контактирования, когда из-за умень­шения угла у условия соударения приближаются к плоскому уда­ру, кумуляция, очистка поверхности и сварка становятся невоз­можными. Скорость контактирования должна быть меньше скоро­сти звука. Детали должны соударяться не раньше завершения очи­стки кумулятивной струей.

Соединение деталей при угловой и параллельной схемах ис­ходного расположения заготовок происходит по волнообразной линии. Конфигурация волн зависит от параметров режима сварки: скорости соударения деталей vc, скорости контакта vK и угла со­ударения у. Эти параметры можно регулировать, подбирая взрыв­чатое вещество, меняя высоту его слоя (от 5 до 100 мм) и исход­ный зазор И между деталями с учетом плотности и толщины мета­емой детали. Можно выделить (рис. 12.7) область / традиционных режимов, обеспечивающую синусоидальную форму волн, область 2 безволновых соединений и область 3 режимов, при которых обра­зуются вытянутые односторонние волны. Режимы в областях 4, 5и 6 не обеспечивают образование соединения.

А, мм 0,045

Рис. 12.6. Зависимость суммарной толщины слоя металла Д, удаля - ,03 емого кумулятивной струей с обе - их свариваемых поверхностей стальных пластин от скоростей g

соударения vc и контакта vK 2 000 3 000 4000 5 000 vk, м/с

При сварке взрывом средняя температура в зоне соединения увеличивается не более чем на несколько десятков градусов. Но в вершинах волн при большой скорости их образования локальные микроучастки могут нагреваться до температуры плавления сва­риваемого металла. В результате образуются участки с измененны­ми механическими свойствами, что ухудшает качество сварного соединения. В местах контакта поверхностей соединений с безвол - новой границей (область 2) оплавлений металла не происходит, прочность такого соединения наиболее высокая.