CC BY
33
УДК 62-5
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СВАРКИ ВЗРЫВОМ ДЛЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ЗАГОТОВОК
Д. А. Веревкин, А. А. Розен, М. Ю. Панин, М. О. Акулов
MODELING OF PROCESSES OF EXPLOSION WELDING MULTILAYER WORKPIECES
D. A. Verevkin, A. A. Rozen, M. Y. Panin, M. O. Akulov
Аннотация. Показана актуальность разработки многослойных заготовок с внедрением промежуточных слоев-протекторов, повышающих коррозионную стойкость изделий. Рассмотрены параметры процесса сварки взрывом, которая является наиболее эффективным технологическим приемом изготовления данных заготовок. Проведено пространственное моделирование процессов сварки взрывом в программном комплексе LS-DYNA, которое позволяет снизить затраты технологического процесса путем оптимизирования всех операций еще до начала прямого контакта взрывчатого вещества с метаемыми пластинами.
Ключевые слова: модель, сварка взрывом, управление, коррозия, многослой-ность, анализ, взрывчатое вещество.
Abstract. Actuality of the development of multilayer details with the introduction of intermediate layers-protectors to increase the corrosion resistance of products. The parameters of explosion welding process, which is the most effective technological method of manufacturing these pieces. Performed spatial modeling of explosion welding in the software complex LS-DYNA, which can reduce costs by optimizing the process of the operation prior to the direct contact with the explosive with first of sheet.
Key words: model, explosive welding, controlling, corrosion, multilayer, analyzing, explosive.
Изучение процесса структурообразования крупногабаритных многослойных заготовок связано с задачей промышленного внедрения многослойных металлических материалов повышенной коррозионной стойкости. Они представляют собой новый класс коррозионно-стойких материалов и являются результатом многолетних исследований коллектива ученых Пензенского государственного университета и Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН. Данное техническое решение защищено международными патентами в 30 странах [1, 2].
Созданные материалы имеют структуру трех- или многослойных металлических композиций, в которых в определенных соотношениях сочетаются слои высоколегированных и углеродистых сталей, специальных сплавов, цветных металлов.
Принципиально новым является применение в структуре многослойных материалов внутренних слоев-протекторов, которые заключены между слоями более стойких в коррозионном отношении сплавов и между которыми установлена прочная связь. Авторами проекта это техническое решение названо «протекторной питтинг-защитой».
Из-за разницы электрохимических потенциалов питтинговая коррозия при достижении поверхности протекторного слоя преобразуется в его общую
коррозию, а сам протекторный слой становится анодом, растворяется и служит протектором по отношению к основным слоям материала, контактирующим с ним.
Благодаря такой трансформации и ряду других физико-химических процессов и превращений материал рабочего, а также несущего или силового слоя изделия не подвергается коррозии в течение длительного времени, в результате чего коррозионная стойкость предлагаемых многослойных материалов и изделий из них повышается в среднем от 5 до 15 раз по сравнению с традиционными материалами в зависимости от характера и температуры рабочей агрессивной среды, величины избыточного давления и других условий эксплуатации.
Многослойные материалы могут использоваться в условиях одностороннего или двустороннего контакта с агрессивными средами одинаковой и различной активности. При этом агрессивная среда может содержать водные растворы щелочей, солей, кислот, анионы которых являются сильными окислителями.
Применение многослойных материалов позволяет значительно повысить надежность оборудования и увеличить его ресурс работы, создавать гарантированные условия контролируемой и безопасной эксплуатации оборудования. Кроме того, появляется принципиальная возможность создания конструкций с новыми эксплуатационными свойствами и рабочими характеристиками, что весьма актуально при использовании в технологических процессах синтеза и переработки различных химических продуктов, выработки тепловой и электрической энергии сверхкритических или флюидных параметров режима работы.
Эффективным способом промышленного производства данных материалов является сварка взрывом.
В условиях сварки взрывом одной из наиболее выгодных форм превращения кинетической энергии тел в работу пластической деформации является процесс волнообразования, характеризующийся строгой периодичностью и регулярностью остаточных деформаций. В последние годы успешное развитие сварки взрывом поставило задачу о волнообразовании в число наиболее актуальных проблем теории высокоскоростных косых соударений твердых тел [3].
Анализ основных параметров соударения в критических режимах позволил установить, что волнообразование происходит в случае, когда скорость точки контакта меньше скорости звука в металлах и течение в подвижной системе координат является дозвуковым (при выполнении этого условия следует ожидать образования волн и при параллельном расположении пластин, если использовать взрывчатое вещество (ВВ), скорость детонации которого меньше скорости звука) [4].
На заготовках промышленного назначения (от 1 до 12 м) реальные картины волнообразования на разных участках могут существенно отличаться друг от друга, соответственно значительно изменяются и механические свойства сварного соединения. Большая часть физических моделей волнообразования не отвечает на вопрос о причинах данного явления, и поэтому прогнозировать данные процессы, проводить предварительный расчет становится чрезвычайно затруднительно. В то же время требования потребителей биметаллов и многослойных материалов, полученных сваркой взрывом, из года в год повышаются. Актуальным становится вопрос прогнозирования свойств получаемой продукции. В частности, для материалов с «протекторной пит-тинг-защитой» это чрезвычайно актуально.
Моделирование процесса сварки взрывом многослойных крупногабаритных заготовок промышленного применения необходимо для получения предварительной информации о возможности или невозможности достижения заданных величин прочности, которая в первую очередь определяется условиями волнообразования на свариваемых поверхностях соответствующих слоев. Обеспечение оптимальных условий сварки взрывом всех слоев является чрезвычайно сложной задачей. Стоимость одной многослойной заготовки (например трехслойной) размерами 1500 х 6000 мм может достигать 100 тыс. руб. и более.
В качестве модельной схемы была рассмотрена многослойная композиция состава «алюминий + медь + алюминий» (А1 + Си + А1). Указанные материалы не имеют фазовых превращений, что позволяет более точно соотносить результаты моделирования и эксперимента.
Была произведена серия экспериментов по сварке взрывом листов толщиной 2 + 2 + 2 мм с габаритными размерами 300 х 1500 мм (рис.1). В качестве заряда использовали смесь микропористой аммиачной селитры с дизельным топливом со скоростью детонации 1600 м/с. Инициирование заряда проводили с одной точки, вынесенной равносторонним углом на 200 мм от переднего края свариваемых листов.
, " .' >' ' \ " ' 1 - ' ■ " Л '. ' '. ; - - ' ' * * * - ? * Л. '. ? дУ ч - „ " * , *
1 > -' ' Чз
Рис. 1. Схема сварки взрывом многослойного материала А1+Си+А1
Установлен нестационарный режим соударения пластин, о чем свидетельствует неравномерное формирование волновой структуры на поверхности меди как с верхней (рис. 2,а), так и с нижней поверхности (рис. 2,6).
а) 6)
Рис. 2. Макроструктура медной пластины на верхней (а) и нижней (6) поверхностях
Одной из программ, позволяющих моделировать деформационный и взрывной процессы, проходящие при сварке взрывом, является программа LS-DYNA (составная часть ANSYS).
LS-DYNA - это многоцелевая программа разработки LSTC (Livermore Software Technology Corporation), предназначенная для решения трехмерных динамических нелинейных задач механики деформируемого твердого тела, механики жидкости и газа, теплопереноса, а также связанных задач механики деформированного твердого тела и теплопереноса, механики деформируемого твердого тела и механики жидкости и газа с помощью многокомпонентного эйлерового подхода.
Для описания поведения взрывчатого вещества была использована модель Уилкинса-Гейроуха. Она позволяет моделировать детонацию взрывчатого вещества. Дополнительно необходимо задавать уравнение состояния. В данном решении используется модель MATHIGHEXPLOSIVEBURN.
Кроме того, до момента детонации взрывчатый материал можно рассматривать как упругий, идеально пластичный. В этом случае в качестве нового тензора напряжений используется пробное упругое напряжение.
Уравнение состояния Джонса-Уилкинса-Ли (JWL) задает давление и обычно применяется для продуктов детонации ВВ.
Вплоть до смены сжатия растяжением разгрузка происходит по линейному закону с наклоном, соответствующим величине объемного модуля для ненагруженного состояния. В случае необходимости программа LS-DYNA экстраполирует данные.
В результате 2Б-моделирования расчетная длина (амплитуда) волны составила 0,3 мм. И, как показывают расчеты (рис. 3), окончательное формирование волн наблюдается за точкой контакта. На рис. 3,а,б рассматривается один и тот же участок по мере продвижения точки контакта слева направо.
Для сравнения расчетных и экспериментальных значений амплитуды и длины волны проведено сканирование ювенильных поверхностей контрольно-измерительной машиной ощупывания на аппарате Carl Zeiss с дискретностью шага 0,5 мкм с получением электронного профиля поверхности. Аппаратура позволяет производить измерения на образцах габаритными размерами 2 х 2 м.
При 2Б-моделировании получены параметры модели сварки взрывом многослойного материала системы Al+Cu+Al с удовлетворительной сходимостью (рис. 4). Расхождение не превышало 27 %.
При 3Б-моделировании на настоящий момент проведен расчет на площади 100 х 100 мм, который не имеет критических расхождений с опытными. Для расчета более крупных заготовок требуется использование специальных суперкомпьютеров.
Фрагментация волн и их угловые расхождения в расчетных системах не наблюдаются.
Предварительный анализ показывает, что в расчетную систему необходимо изначально закладывать как неоднородность продвижения детонационной волны по ВВ, так и отклонения в величине зазора между пластинами.
а)
б)
Рис. 3. Результаты 2D-моделирования в ЬБ-БУЫА сварки взрывом многослойного материала системы Al+Cu+Al при начальном времени (а) и через 40 мкс после начала детонации взрывчатого вещества (б)
а) б)
Рис. 4. Расчетные (а) и экспериментальные (б) значения волнообразования
Расчет трехмерной модели необходимо производить исходя из параметров детонационной волны при условии возможных колебаний плотности ВВ (± 0,1...0,3 г/см3). С учетом химической неоднородности смесевых составов ВВ (± 3.5 %) и изменения высоты заряда ВВ в пределах инструментальной погрешности (± 1.3 мм) можно предположить успешное 3Б-моделиро-вание процесса метания пластины и прогнозирование результатов предполагаемых опытов.
В последующем разработка процесса в пространстве позволит исключить высокие расхождения между полученными и опытными значениями с помощью 2Б-модели.
Моделирование процесса данного рода в последующем способно существенно снизить затраты технологического процесса путем оптимизирования всех операций еще до начала прямого контакта ВВ с метаемыми пластинами.
Список литературы
1. Международная заявка WO 2010/036139 А1. Многослойный металлический материал повышенной коррозионной стойкости и способы его получения / Розен А. Е.,
Лось И. С., Перелыгин Ю. П., Первухин Л. Б., Гордополов Ю. А., Кирий Г. В., Абрамов П. И., Усатый С. Г., Крюков Д. Б., Первухина О. Л., Денисов И. В., Розен А. А. - Заявл. 01.04.2010.
2. Евразийский патент 016878. Многослойный металлический материал повышенной коррозионной стойкости и способы его получения / Розен А. Е., Лось И. С., Перелыгин Ю. П., Первухин Л. Б., Гордополов Ю. А., Кирий Г. В., Абрамов П. И., Усатый С. Г., Крюков Д. Б., Первухина О. Л., Денисов И. В., Розен А. А. - Заявл. 30.08.2012, Бюл. № 3.
3. Лысак, В. И. Сварка взрывом / В. И. Лысак, С. В. Кузьмин. - М. : Машиностроение, 2005. - 512 с.
4. Гордополов, Ю. А. К вопросу о волнообразовании при высокоскоростном соударении металлических тел / Ю. А. Гордополов, А. Н. Дремин, А. Н. Михайлов // Труды Американского общества инженеров-механиков. Сер. Е. Прикладная механика. - 1977. - Т. 13, № 2. - С. 288-291.
Веревкин Дмитрий Анатольевич
студент,
Пензенский государственный университет E-mail: dmiverevkin@rambler.ru
Розен Андрей Андреевич аспирант,
Пензенский государственный университет E-mail: info@romet-sk.com
Панин Михаил Юрьевич аспирант,
Пензенский государственный университет E-mail: aspirant.pgu@mail.ru
Акулов Максим Олегович
студент,
Пензенский государственный университет E-mail: senior.akulov@yandex.ru
Verevkin Dmitriy Anatol'evich student,
Penza State University
Rozen Andrey Andreevich postgraduate student, Penza State University
Panin Mikhail Yur'evich postgraduate student, Penza State University
Akulov Maksim Olegovich student,
Penza State University
УДК 62-5 Веревкин, Д. А.
Моделирование процесса сварки взрывом для многослойных заготовок /
Д. А. Веревкин, А. А. Розен, М. Ю. Панин, М. О. Акулов // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2013. - № 4 (8). - С. 166-171.
