CC BY
45
УДК 621.791.13
Геометрические преобразования тонколистовых заготовок в процессе сварки взрывом многослойных пакетов
В.И. Мали, И.А. Батаев1, А.А. Батаев1, Д.В. Павлюкова1,
Е.А. Приходько1, М.А. Есиков1
Институт гидродинамики СО РАН им. М.А. Лаврентьева, Новосибирск, 630090, Россия 1 Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, 630092, Россия
Изучены особенности геометрических преобразований тонколистовык заготовок в процессе сварки взрывом многослойных пакетов. Показано, что в объеме одного композита могут быть сформированы сварные швы волнообразной формы с периодом и амплитудой, отличающимися в 5-7 раз. В процессе сварки взрывом многослойные композитов из одинаковые и разнородных сталей образуются сварные швы волнообразной формы с отношением амплитуды к их длине A/A, как правило, превышающим величину 0.3 и находящимся преимущественно в диапазоне 0.3-0.4. Установлено, что на геометрические параметры волн, в том числе и на их форму, влияние оказывает ориентация кристаллической решетки деформируемого материала. Обнаружен не описанный ранее эффект деления волнами большой амплитуды внутренних пластин многослойного пакета на отдельные, не связанные друг с другом фрагменты. Границы раздела сложной формы, возникающие при сварке взрывом тонколистовые стальные заготовок, благоприятно отражаются на уровне усталостной трещиностойкости и ударной вязкости многослойные композитов.
Ключевые слова: сварка взрывом, многослойные композиты, форма швов
Geometric transformations of sheet steel billets in explosion welding
of multiple sandwiches
V.I. Mali, I.A. Bataev1, A.A. Bataev1, D.V. Pavlyukova1, E.A. Prikhodko1 and M.A. Esikov1
Lavrentiev Institute of Hydrodynamics SB RAS, Novosibirsk, 630090, Russia 1 Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, 630092, Russia
The peculiarities of geometric transformations of sheet steel billets in explosion welding of multiple sandwiches were studied. It is shown that in the volume of one composite, wavy welds with a period and amplitude differing by a factor of 5-7 can be formed. In explosion welding of multilayer composites made of the same and different steels, wavy welds are formed with an amplitude to length ratio A/A normally higher than 0.3 and lying in the range 0.3-0.4. It is found that the geometric parameters of the waves, including their shape, are affected by the lattice orientation of the deformed material. The hitherto undescribed effect of division of internal lamellae of a multiple sandwich into separate unconnected fragments by waves of large amplitude was revealed. The interfaces of complex shape that arise in explosion welding of sheet steel billets has a beneficial effect on the level of fatigue crack resistance and impact strength of multilayer composites.
Keywords: explosive welding, multilayer composites, interface shape
1. Введение
При разработке новых материалов конструкционного назначения одними из наиболее важных контролируемых параметров являются химический состав, тип, объемная доля и свойства образующихся фаз, их распределение по объему материала, размеры основных структурных элементов. Для композиционных материалов принципиальное значение имеют форма и ориентация
упрочняющих элементов в объеме заготовки или изделия. В настоящее время большой интерес вызывают метаматериалы, которые синтезируются внедрением в исходный материал различных периодических структур со сложными геометрическими формами [1] для получения заданных значений диэлектрической и магнитной восприимчивости. С позиции обеспечения служебных свойств метаматериала, наряду с электрическими
© Мали В.И., Батаев И.А., Батаев A.A., Павлюкова Д.В., Приходько Е.А., Есиков М.А., 2011
свойствами, принципиальное значение имеют геометрические параметры этих элементов.
В композиционных материалах конструкционного назначения закономерности расположения присутствующих фаз определяют особенности пластической деформации и разрушения в различных условиях внешнего нагружения. Формирование структуры гетерофаз-ных материалов с заранее предусмотренным расположением элементов представляет собой сложную технологическую задачу. Из множества процессов, позволяющих формировать композиционные материалы слоистого типа, особо может быть выделена сварка взрывом. Этот вид обработки позволяет получать композиты, отличающиеся закономерным, специфическим, характерным только для него расположением элементов структуры [2-4]. Такими элементами являются сварные швы волнообразной формы и закономерно ориентированные вихревые построения, расположение которых при сварке многослойных композитов носит объемный характер. На поперечных шлифах отмеченные элементы формируют характерные волнообразные узоры, параметры которых определяются режимами сварки, а также геометрией и типом используемых заготовок. Процессы образования отмеченных элементов структуры, а также активная перестройка дислокационной структуры непосредственно вблизи сварных швов, формирование суб-микро- и наноразмерных зерен являются результатом деформации материалов на разных масштабных уровнях [5, 6].
Цель работы заключалась в изучении особенностей геометрических преобразований стальных пластин в процессе сварки взрывом многослойных композитов.
2. Материалы и методы исследований
В качестве объектов исследования использовали слоистые пакеты систем «сталь 20 - сталь 20», «сталь 20 -сталь 60Г», «сталь 20 - электротехническая сталь 2312».
Детонатор Аммонит 6ЖВ
В работе изучено строение композитов, полученных сваркой взрывом тринадцати и двадцати одной пластины толщиной 1 мм из низкоуглеродистой стали 20 с исходной феррито-перлитной структурой. Тринадцатислойные композиты были сформированы за два этапа. На первом этапе получали пятислойный композит по схеме, изображенной на рис. 1, а. Расчетные значения скоростей точки контакта и углов соударения заготовок на 1, 2, 3 и 4 границах сварки составляли соответственно: 3.16 км/с, 27° 19'; 3.16 км/с, 13° 29'; 3.16 км/с, 8° 59'; 2.22 км/с, 9° 35'. На втором этапе к получившемуся пакету симметрично с боков приваривали еще по четыре пластины (рис. 1, б) с расчетными значениями скоростей точек контакта и углов соударения пластин на 1, 2 и 3 границах сварки соответственно: 3.16 км/с, 27° 19'; 3.16 км/с, 13° 29'; 3.16 км/с, 8° 59'; 2.22 км/с, 9° 35'. Композиты из двадцати одной пластины были получены за три этапа.
Сварку девятислойных материалов типа «сталь 20 -сталь 60Г» выполняли в 2 этапа (рис. 2). Для изготовления каждого образца было использовано 4 пластины из стали 20 и 5 пластин из стали 60Г. На первом этапе к неподвижной центральной пластине из стали 60Г симметрично с двух сторон приваривали по две пластины из стали 20 с расчетными значениями скоростей точки контакта и углов соударения соответственно: 3.35 км/с, 27° 18'; 2.93 км/с, 15° 18'. На втором этапе все параметры соударения сохранялись, при этом в качестве неподвижной центральной пластины использовали пятислойный композит, сваренный взрывом на первом этапе.
Влияние размеров зерна на геометрические параметры зон соединения было изучено на примере композитов, состоящих из кремнистой электротехнической стали 2312 и низкоуглеродистой стали 20. При получении всех материалов функцию взрывчатого вещества выполнял аммонит 6ЖВ.
Рис. 1. Схема получения тринадцатислойного композиционного материала методом сварки взрывом пластин из стали 20: а — этап получения пакета из 5 пластин; б — этап соединения пятислойного пакета и боковых комплектов из четырех пластин. Числами показано расстояние между пластинами в мм
Рис. 2. Схема сварки взрывом девятислойного композита «сталь 20 -сталь 60Г»: а — сталь 60 Г, Ь — сталь 20, с — пятислойный композит
Ь ■ - : ”. - г
дГ" * V
Рис. 3. Рентгеновские снимки соударяющихся пластин. Левая пласти-
на — Си, 81 = 3 мм,
'р!
1.12 км/с, правая пластина — Си, 82 =
= 3 мм, Ор2 = 1.26 км/с. Угол соударения у = 50°. Время задержки относительно начала соударения пластин t = 0 (а), 3 • 105 (б), 5 • 105 с (в)
3. Результаты исследований и их обсуждение
3.1. Форма волн сварных швов
Одна из особенностей, наиболее характерных для сварки взрывом металлических пластин, заключается в формировании сварных швов волнообразной формы. По данным [2], при сварке двух одинаковых пластин отношение амплитуды волн к их длине составляет 0.140.30. Единого общепринятого специалистами механизма волнообразования в настоящее время нет. Возможно, волнообразование является примером автоколебательной нелинейной системы [7, 8]. Нарушение симметрии границы соударения пластин вызывает ее возмущения и согласованные автоколебания в области высоких давлений, которые застывают в виде волн вдали от точки контакта.
Подтверждением колебаний контактной границы служат импульсные (время экспозиции — 10-7 с) рентгеновские снимки соударения металлических пластин (рис. 3). На снимках представлены результаты трех экспериментов с разными временами задержки относительно начала соударения медных пластин толщиной 3 мм. Пластины метались различными зарядами взрывчатого вещества со скоростями рр1 = 1.12 км/с (левая пластина) и гр2 = 1.26 км/с (правая пластина) под одина-
Рис. 4. Синусоидальная форма сварного шва в композите «сталь 20 -сталь 60Г»
ковым углом у = 50°. Видно рассеивание образующейся впереди точки контакта кумулятивной струи, состоящей из потока частиц. Его направление не совпадает с биссектрисой начального угла соударения и постоянно изменяется вблизи поверхности пластины, имеющей меньшую скорость. Колебание контактной границы в зоне высокого давления приводит к образованию волн за точкой контакта, размер которых сопоставим с толщиной пластин, что приводит к волнообразной деформации поверхности пластин, видимой на последнем из снимков (рис. 3, в). При этом, начиная с некоторого расстояния, наблюдается разрушение сваренных взрывом пластин по волнам. В работе [9] наблюдалось разрушение не только медных, но и стальных пластин, сваренных взрывом в условиях несимметричной взрывной нагрузки.
В зависимости от технологических параметров сварки и толщины исходных пластин могут быть получены прямые сварные швы, сварные швы, форма которых близка синусоидальной (рис. 3, в, 4), а также волнообразные швы существенно искаженной формы.
Анализ сварных швов в композиции «электротехническая сталь - сталь 20» свидетельствует о том, что на геометрические параметры волн, в том числе и на их форму, влияние оказывает ориентация кристаллической решетки деформируемого материала. Сделать такой вывод удалось при использовании в качестве заготовок для сварки взрывом пластин из электротехнической стали, средний размер зерна которой (~5 мм) на порядок превышает длину образующихся волн (~200-500 мкм). На рис. 5 представлены участки сварных швов, форма волн на которых существенно отличается. Можно выделить зоны, соответствующие одному зерну (т.е. единой ориентации кристаллической решетки), в которых форма волн кардинально отличается от синусоидальной. В тех случаях, если сварке подвергаются металлические пластины с размерами зерен менее 100 мкм, влияния ориентации кристаллической решетки на форму образующихся волн не наблюдается.
3.2. Геометрические параметры волн в сварных соединениях
Геометрические параметры образующихся волн определяются углами соударения и массой взаимодействующих пластин. Возможности управления длиной и
Рис. 5. Форма волн, образующихся при сварке взрывом пластин из электротехнической стали и стали 20
амплитудои волн при сварке взрывом многослойных материалов иллюстрируют металлографические снимки, отражающие строение композитов типа «сталь 20 -сталь 20» и «сталь 20 - сталь 60Г» (рис. 6 и 7). Максимальные значения длины X и амплитуды A волн в композиции «сталь 20 - сталь 20» составляют 1229 и 420 мкм соответственно (табл. 1). Минимальные значения этих параметров, зафиксированные на третьем сварном шве, равны 207 и 60 мкм. Таким образом, при реализации описанных выше условии сварки различия в длине и амплитуде волн в пределах одного слоистого пакета достигают соответственно шести- и семикратной величины. Следует отметить, что отношение A/X в данном случае для десяти из двенадцати сварных швов превышает величину 0.3. Максимальное значение A/X зафиксировано на первом сварном шве и составляет 0.41.
• ' * ‘4 ’ » * * * - ■ ' V <- у7
! ’ •
•V.
Рис. 6. Форма сварных швов тринадцатислойного композита «сталь 20 - сталь 20» в поперечном сечении, ориентированном вдоль скорости точки контакта соединяемых пластин
Рис. 7. Строение композита из чередующихся слоев сталей 20 и 60Г в поперечном сечении, ориентированном вдоль скорости точки контакта пластин
Таблица 1
Длина X и амплитуда А волн в сварных швах тринадцатислойного композита из пластин стали 20
№ шва Я, мкм А, мкм а/Я
1 476 194 0.41
2 357 129 0.36
3 207 60 0.29
4 914 351 0.38
5 606 181 0.30
6 294 95 0.32
7 348 126 0.36
8 403 150 0.37
9 1229 420 0.34
10 282 88 0.31
11 278 101 0.36
12 552 199 0.36
Строение композита «сталь 20 - сталь 60Г» в поперечном сечении, ориентированном вдоль направления движения точки контакта соединяемых пластин, представлено на рис. 7. На восьми сформированных взрывом швах условно можно выделить группы крупных (X > 1489 мкм) и мелких (X < 629 мкм) волн. На границах сопряжения трех внутренних пластин стали 60Г со смежными пластинами из низкоуглеродистой стали 20 наблюдаются как крупные, так и мелкие волны. Отношение Хта^/Хтіп для композита из разнородных сталей составляет 5.4, а Атт/Атіп = 5 (табл. 2).
3.3. Вихревые зоны в сварных швах
Сварка взрывом плоских металлических заготовок представляет собой технологический процесс обработки, основанный на высокоэнергетическом воздействии на материал. Важнейшими особенностями этого процесса являются кратковременность и локализация пластической деформации в зоне контакта взаимодействующих пластин. Данные особенности определяют характер процессов структурных преобразований в зонах формирующихся сварных швов. Во многих случаях про-
Таблица 2
Параметры волн сварных швов в композите, состоящем из девяти чередующихся слоев стали 20 и стали 60Г
№ шва Я, мкм А, мкм А/Я
1 544 264 0.49
2 1489 453 0.30
3 510 233 0.46
4 534 281 0.53
5 2750 1 155 0.42
6 629 299 0.48
7 2017 701 0.35
8 517 239 0.46
Рис. 8. Вихри, образующиеся в процессе сварки взрывом стали 20 и стали 60Г
цесс образования сварных швов волнообразной формы сопровождается образованием вблизи гребней и впадин волн вихревых зон. В наибольшей степени деформируемый материал нагревается именно в этих зонах. Тепла, выделяющегося в вихрях, может быть достаточно для плавления металла. Если сварке подвергаются стальные пластины с феррито-перлитной структурой, то на месте зон расплава в процессе ускоренного охлаждения металла образуется высокопрочный мартенсит. Характерная форма одиночного вихря, сформированного на границе сопряжения пластин из сталей 20 и 60Г, приведена на рис. 8.
Волнообразная форма сварных швов и особенности расположения вихрей по отношению к гребням и впадинам образующихся волн определяют периодичность распределения закаленных зон внутри композитов, полученных по технологии сварки взрывом (рис. 9, 10). В плоскости сечения, расположенной параллельно поверхности исходных пластин, вихревые зоны выглядят в виде набора параллельных полос (рис. 11).
3.4. Пластическое разделение деформируемых в процессе сварки пластин
При выполнении работы были реализованы такие технологические режимы сварки сталей, которые обеспечивали амплитуду волн, соизмеримую по величине с
Околошовная
деформированная
зона
Рис. 9. Схема расположения вихревых зон в сварных швах волнообразной формы, сформированных при сварке взрывом тонколистовых металлических заготовок
Рис. 10. Околошовные (сильнодеформированные) зоны на фоне основного (слабодеформированного) металла
толщиной соединяемых пластин. Это означает, что при сварке взрывом происходит перераспределение материала и периодическое изменение толщины исходных пластин в направлении движения точки их контакта. На рис. 12 стрелкой показана пластина стали 20, толщина которой составляет ~200 мкм, что в пять раз меньше по сравнению с исходным состоянием. Экспериментально зафиксированы сильнодеформированные зоны соединяемых пластин, в которых происходит локальное разрушение слоев.
Амплитуда волн может быть такой большой, что в процессе динамического взаимодействия разнородных сталей происходит разделение менее прочной пластины (стали 20) на отдельные, не связанные друг с другом фрагменты (рис. 13, а, б). Анализ приведенного рисунка свидетельствует о том, что низкопрочная сталь практически полностью выдавлена из локализованных зон направленными друг на друга гребнями волн прочных пластин стали 60Г, расположенных ниже и выше. В анализируемом сечении, ориентированном в направлении скорости точки контакта пластин, средняя высота фрагментов d составляет 1 990 мкм, длина Ь = 3 180 мкм, период с = 4900 мкм (рис. 13, б). Результаты структурных исследований свидетельствуют о том, что пласти-
Рис. 11. Строение сварного шва композита «сталь 20 - сталь» в горизонтальном сечении (параллельном плоскости соединения пластин)
Рис. 12. Микрофотография композита «сталь 20 - сталь 60Г» с явно выраженными зонами утонения пластины из стали 20 (указано стрелкой)
ны стали 60Г, разделяющие расположенную между ними пластину из низкоуглеродистой стали 20 на части, качественно соединены между собой. Таким образом, в процессе сварки взрывом вместо ожидаемой структуры слоистого типа может быть сформирована более сложная по строению композиция, содержащая наряду со слоями разнородных материалов периодически расположенные элементы вытянутой формы.
3.5. Усталостное и динамическое разрушение многослойных композитов, полученных по технологии сварки взрывом
Даже в биметаллическом материале, характеризующемся наличием всего лишь одного сварного шва, его особая структура в значительной степени определяет свойства всей композиции. Еще в большей степени роль сварных швов проявляется при формировании сваренных взрывом многослойных композитов, полученных при динамическом взаимодействии множества тонколистовых металлических пластин. На рис. 14 представлены снимки, отражающие траекторию продвижения усталостной трещины в композите, полученном путем сварки двадцати одной пластины из стали 20. Один из
Рис. 13. Снимок пластины из стали 20, периодически пережатой соседними слоями из стали 60Г (а) и схема строения слоистого композита (б)
Рис. 14. Результаты испытаний на циклическую трещиностойкость композиционного материала, состоящего из двадцати одного слоя стали 20: траектория распространения трещины на нетравленом (а) и химически травленом образце (б)
приведенных снимков получен при съемке нетравленого, а другой — химически травленного шлифа. Видно, что трещина, выходя на границу раздела слоев, меняет траекторию своего движения. Наиболее явные изменения направления движения трещины наблюдаются при пересечении трещиной более рельефных границ раздела. Объясняется такое поведение композита различием свойств основного материала и материала сварного шва. Во многих случаях при пересечении границы раздела пластин трещине энергетически более выгоден резкий поворот и движение в течение некоторого времени вдоль сварного шва. Наблюдались случаи, когда трещина, следуя вдоль границы шва волнообразной формы,
Рис. 15. Кинетические диаграммы усталостного разрушения слоистого композиционного материала «сталь 20 - сталь 20» (7) и стали 20 (2) в исходном состоянии
перемещалась не только под прямым углом к направлению своего первоначального развития, как показано на рис. 14, а, но двигалась даже в обратном направлении.
Резкое изменение траектории распространения трещины сопровождается ростом энергетических затрат, требуемых на разрушение материала. В итоге это приводит к росту усталостной трещиностойкости многослойного материала. Свидетельством такого поведения композита является кинетическая диаграмма его усталостного разрушения, которая в координатах «скорость развития трещины V - размах коэффициента интенсивности напряжений ДК» располагается правее диаграммы, соответствующей контрольному монолитному материалу (прокатанной и отожженной стали 20 с ферри-то-перлитной структурой без внутренних границ раздела) (рис. 15).
Благоприятное влияние границ раздела проявляется также и при динамическом нагружении многослойных композитов. Установлено, что по сравнению с контрольными образцами из стали 20 уровень ударной вязкости тринадцатислойного композита «сталь 20 - сталь 20» почти в два раза выше при приложении нагрузки перпендикулярно сварным поверхностям [3]. Особо следует подчеркнуть, что повышается не только ударная вязкость, но также и уровень прочностных свойств материала. Как правило, в однородных материалах эти показатели находятся в противоречии (с ростом прочностных свойств уровень ударной вязкости снижается).
4. Заключение
Сварка взрывом представляет собой эффективный технологический процесс, позволяющий в сочетании с дополнительной термической обработкой формировать набор структурных элементов с различными фазовым, химическим составом и геометрическими формами. Пульсирующий характер кумулятивной струи и образование волн непосредственно в окрестности точки контакта, зарегистрированные на импульсных рентгеновских снимках, подтверждают, что причиной волнообразования являются автоколебания границы соударения пластин в области высоких давлений. Управляя технологическими режимами сварки взрывом стальных заготовок, можно в широких пределах изменять форму границ сопряжения пластин. В объеме одного композита могут быть сформированы сварные швы волнообразной формы с периодом и амплитудой, отличающимися в 5-7 раз. В процессе сварки взрывом девяти-, тринадцати- и двадцатиоднослойных композитов из одинаковых по химическому составу и разнородных сталей образуются сварные швы волнообразной формы с отношением амплитуды к их длине АX, как правило, превышающим величину 0.3 и находящимся преимущественно в диапазоне 0.3-0.4. Применение в качестве объектов исследования
пластин из крупнозернистой электротехнической стали позволило установить, что на геометрические параметры волн, в том числе и на их форму, влияние оказывает ориентация кристаллической решетки деформируемого материала. При реализации процесса динамического взаимодействия разнородных сталей обнаружен не описанный ранее эффект деления волнами большой амплитуды внутренних пластин многослойного пакета на отдельные, не связанные друг с другом фрагменты. Границы раздела сложной формы, возникающие при сварке взрывом тонколистовых стальных заготовок, благоприятно отражаются на уровне усталостной трещиностой-кости и ударной вязкости многослойных композитов.
Литература
1. Pendry J.B., Smiht D.R. Reversing light with negative refraction // Physics Today. - 2004. - V. 57. - No. 6. - P. 37-43.
2. Дерибас A.A. Физика упрочнения и сварки взрывом. - Новосибирск: Наука, 1980. - 220 с.
3. Bataev I., Bataev A., Mali V, Esikov M., Bataev V. Peculiarities of weld seams and adjacent zones structures formed in process of explosive welding of sheet steel plates // Mater. Sci. Forum. - 2011. -V. 673.- P. 95-100.
4. Mali VI., Bataev A.A., Bataev I.A. Structural Features of Wave Formation in Explosive Welding of Electrotechnical Steel // Explosive Production of New Materials: Science, Technology, Business, and Innovations / Ed. by A. Deribas, Yu. Scheck. - Moscow: Torus Press, 2010. - P. 42-43.
5. Панин B.E. Физическая мезомеханика поверхностных слоев твердых тел // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 6. - С. 5-23.
6. Панин B.E., Панин A.B. Масштабные уровни пластической дефор-
мации и разрушения наноструктурных материалов // Нанотехника. - 2005. - Т. 3. - С. 28-42.
7. Годунов С.К., Дерибас A.A., Козин Н.С. Волнообразование при сварке взрывом // ПМТФ. - 1971. - № 3. - С. 63-72.
8. Godunov S., Deribas A., Zabrodin A., Kosin N. Hydrodynamic effects in colling solids // J. Computer. Phys. - 1970. - V. 5. - No. 3. - P. 517539.
9. Kinelovsky C.A., Mali VI., Trishin Yu.A. Shear Flow Instability upon a Nonsymmetric Collision of Plates // Impact Loading and Dynamic Behaviors of Materials / Ed. by C.Y. Chiem, H.-D. Kunze, L.W. Meyer. -DGM Informationsgesellschaft Verlag, Germany, 1988. - V. 2. -P. 729-736.
Поступила в редакцию 15.07.2011 г.
Сведения об авторах
Мали Вячеслав Иосифович, к.ф.-м.н., внс ИГИЛ СО РАН, vmali@mail.ru Батаев Иван Анатольевич, к.т.н., доц. НГТУ, ivanbataev@ngs.ru Батаев Анатолий Андреевич, д.т.н., проф., проректор НГТУ, bataev@adm.nstu.ru Павлюкова Дарья Викторовна, асп. НГТУ, pavlyukova_87@mail.ru Приходько Елена Алексеевна, асп. НГТУ, Helens_case@ngs.ru Есиков Максим Александрович, асп. НГТУ, esmax@ya.ru
