CC BY
95
УДК 623-04
СОЕДИНЕНИЕ КОЛЬЦЕВОЙ ЗАГОТОВКИ НА КОРПУСЕ СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ
Анатолий Васильевич Гуськов
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20, кандидат технических наук, профессор кафедры газодинамических импульсных устройств, тел. (383)346-25-65, e-mail: conf_npo@craft.nstu.ru
Константин Евгеньевич Милевский
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20, кандидат технических наук, профессор кафедры газодинамических импульсных устройств, тел. (383)346-25-65
Мария Сергеевна Хребтова
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20, студентка кафедры газодинамических импульсных устройств
Рассмотрены процессы, протекающие во время соединения кольцевой заготовки на корпусе сваркой взрывом и выведены зависимости для оценки вида плоскости соединения и температур в материалах, прилегающих к плоскости соединения.
Ключевые слова: сварка взрывом, метаемые устройства, ведущие узлы, сварное соединение.
THE INSTALLATION OF ANNULAR WORKPIECE ON MISSLE DEVICE WITH EXPLOSION WELDING
Anatoly V. Guskov
Novosibirsk Siberian technical university, 630073, Russia, Candidate of science, Prof. of Department Hydrodynamic e-mail: conf_npo@craft.nstu.ru
Konstantin E. Milevsky
Novosibirsk Siberian technical university, 630073, Russia, Candidate of science, Prof. of Department Hydrodynamic e-mail: conf_npo@craft.nstu.ru
Maria S. Hrebtova
Novosibirsk Siberian technical university, 630073, Russia, student of Department Hydrodynamic impulse devices
The reviewing of explosion welding and it's special processes during installation of annular workpiece on missile device. Received dependences can be used for estimation of welding and welded surface's features.
Key words: explosion welding, missile devices, annular workpieces, welded surfaces.
Одним из важных элементов метаемого устройства, обеспечивающих дальность и правильность полета, является ведущий узел. Способ установки ве-
Novosibirsk, Karl Marks avenue, 20, impulse devices, tel. (383)346-25-65,
Novosibirsk, Karl Marks avenue, 20, impulse devices, tel. (383)346-25-65,
Novosibirsk, Karl Marks avenue, 20,
дущего узла сваркой взрывом обеспечивает прочное соединение пары «медь -сталь», обладающее рядом специфических характеристик.
Процесс установки ведущего узла на корпус метаемого устройства сваркой взрывом заключается в следующем (рис. 1). На заранее подготовленном корпусе под углом а = 3 - 10° фиксируется медная кольцевая заготовка, которую разгоняют взрывчатым веществом (далее - ВВ). При высокоскоростном соударении кольцевой заготовки и корпуса происходит деформация их приповерхностных слоев, ведущая к образованию соединения.
Рис. 1. Сварка взрывом 1 - заряд ВВ; 2 - медный узел; 3 - корпус метаемого устройства;
4 - неподвижное основание; 5 - точка изгиба узла
Соединение формируется в две стадии. [1, 2] На первой, в момент образования контакта происходит сближение атомов соединяемых материалов, а также их незначительное химическое взаимодействие. Вторая стадия заключается в возникновении контактных поверхностей с образованием активных центров, в результате чего обеспечивается сцепление металлов. Решающую роль играет пластическая деформация приповерхностных слоев металлов в зоне шва, которая распределена по толщине свариваемых заготовок и достигает максимума вблизи плоскости соединения [3]. Ударно-волновая нагрузка обеспечивает волнообразный профиль соединения, что увеличивает поверхность контакта. Высокая скорость сварки объясняет отсутствие диффузии материалов. Эта особенность позволяет получать соединения металлов, которые при других способах скрепления оставались бы непригодными к использованию. Для осуществления качественного соединения важным условием являются хорошо зачищенные свариваемые поверхности.
Выведено несколько теорий, объясняющих волнообразный характер сварного соединения. [4]
Например, модель Абрахамсона, базирующаяся на примере взаимодействия метаемой под углом к поверхности водной струи и мягкой пасты в качестве основания. Также известна теория Ханта, основанная на предположении Абрахамсона о взаимодействии водной струи с преградой и ее разделении на прямую и обратную. Известна теория Кована и Хольцмана, предлагающая зависимость амплитуды волны от характерного линейного размера для профиля горизонтальной скорости свободных плоских струй а также теория поверхностного натяжения, связывающая поведение металлического материала при сварке взрывом с поведением жидкости.
Несмотря на большое количество физических и математических моделей волнообразования и на различные подходы авторов к трактовке полученных экспериментальных результатов, механизм этого явления до конца не изучен. Единой общепризнанной теории волнообразования не создано.
Для проведения эксперимента авторами данной статьи была выбрана пара «сталь - медь» (рис. 2 а). Как видно из рисунка, соединение имеет чётко выраженный волнообразный характер. Можно предположить, что данный вид обусловлен тем, что сам процесс метания происходит сегментарно (рис. 2 б).
Рассмотрим движение отдельного элемента (рис. 2 б). Под действием ударной волны ВВ, он падает на основание 2 и происходит абсолютно неупругий удар с выделением большого количества энергии, которая идёт на нагревание сталкивающихся поверхностей. Так как нагрев происходит до высоких температур, приповерхностные слои материала переходят в жидкое состояние, образуя волнообразное соединение.
Допустим, минимальная масса двумерного метаемого сегмента определяется по следующей формуле:
с1т - р • сИ ■ И 5
где р - плотность материала, а - длина сегмента, и- толщина метаемой пластины.
1
б
Рис. 2. Соединение при сварке взрывом а - фотография при увеличении в 50 раз; б - схема ступенчатого процесса;
1 - медь; 2 - сталь
Получим выражения для расчета длины сегмента Л. Используя теорему Карно, выразим энергию, которая теряется при абсолютно неупругом соударении двух тел. Из закона сохранения энергии:
0 = АЕ + А,
считая, что работа, совершённая системой А =0, а изменение кинетической энергии выражается как
с1т ■и2 М ■ с1т и2 2 ~ 2 2 ~ М + <Ит~
АЕ = Еп - Е, =
где и - скорость метания пластины, М - масса основания, ^ - скорость тел после соударения.
Используя полученные выше соотношения, получаем:
р-к- {Ми2 -20
Данные зависимости устанавливают связь между параметрами минимального метаемого сегмента и характеристиками свариваемых материалов и выделяющейся в ходе соударения энергии р. На основе полученных формул можно прогнозировать, как будет выглядеть сварное соединение, а также, зная распределение температур, определять, какую структуру имеют материалы, прилегающие к соединению.
Используя экспериментальные данные, проверим выведенные формулы. Если считать, что скорость метания пластины и=1500 м/с, масса сегмента толщиной а = 1 СМ с!т = р-<11-к-а = 8,92■ 0,144см ■ 0,3см ■ 1см = 0,3853г , ПОГОННуЮ МаССа СООТветствующего участка основания М = р-<11-к-а = 7,8/^-0,144см- -1,9см-1см = 2,1341^, то энергия, выделившаяся при соударении:
_ М ■ <1т и2 „ <2 =---« 361,201кДж
М + с1т 2
Полученная энергия распределяется между метаемой кольцевой заготовкой и основанием, вызывая нагрев прилегающих к поверхности областей. Рассмотрим задачу о теплопроводности заготовки и основания, чтобы определить, какие температуры можно получить в области контакта. Количество переданного тепла теплопроводностью через плоскую стенку можно рассчитать по уравнению
о
<2 = -(/,-/ ,)• ^'
^ $ ст1 ст 2
где Я - коэффициент теплопроводности материала стенки, 5 - толщина стенки, (спЛ--[сш2 - разность температур поверхностей стенки, Б - площадь поверхности
стенки, т - время. На рисунке 3 показана схема для решения задачи о теплопроводности стенки. Температура на внешних границах пластин считалась равной 25°С, коэффициенты теплопроводности меди и стали брались как Дмеди = 380 Вт/м*К, А стали = 47 Вт/м*К, площадь поверхности соприкосновения сегмен-
Л
тов равна 0,144 см .
h меди h стали
Рис. 3. Схема поверхности контакта
Для нашего случая: T меди = 2107 К, T стали = 11 750К. Данные значения получены для начального периода времени, без учёта оттока тепла вглубь материала.
В реальном процессе энергия распределяется между поверхностями меди и стали в зависимости от их теплопроводности и формы поверхности соприкосновения, однако приведенная выше оценка результата не противоречит действительности и подтверждает, что выведенные формулы можно использовать для прогнозирования вида сварного соединения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Локтюшин В.А., Арисова В.Н. Некоторые физические процессы, протекающие при сварке взрывом двух металлических пластин // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2007 год, выпуск №5, С 37-39.
2. Гуськов А. В. Исследование влияния способа обработки на механические характеристики и микроструктуру материала марки М1 / А. В. Гуськов, Н. О. Драньков, К. Е. Милев-ский // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. - 2012. - № 4(57). -С. 56-62.
3. Букатников П.А., Гуськов А.В., Милевский К.Е., Оголихин В.М. Механизм упрочения области контакта при сварке взрывом. - Наука. Промышленность. Оборона. Труды XV всероссийской научно-технической конференции, г. Новосибирск, 23-25 апреля 2014 г. -С. 117-120.
4. Дерибас А.А. Физика упрочнения и сварки взрывом. - Новосибирск: Наука, 1981 г.
5. Годунов, С. К. О влиянии вязкости материала на процесс образования струй при соударении металлических пластин / С. К. Годунов, А. А. Дерибас, В. И. Мали // Физика горения и взрыва. - 1975. - Т. 11. - № 1. - С. 3 - 18.
6. Структура и механические свойства многослойных материалов, сформированных по технологии сварки взрывом тонколистовых заготовок / А. А. Батаев, И. А. Батаев, В. И. Мали, А. Б. Карпов, М. А. Есиков, Н. А. Морева, Е. А. Приходько // Сборник тезисов докладов Международной конференции «XIII Харитоновские тематические научные чтения», Саров, РФЯЦ-ВНИИЭФ. - 2011. - С. 320-323.
© А. В. Гуськов, К. Е. Милевский, М. С. Хребтова, 2015
