CC BY
71
Вестник технологического университета. 2016. Т. 19, №19 УДК 621.791.755 : 621.7.044.2
В. В. Гундорин, Е. И. Ермолович, И. А. Кузнецов, А. С. Смирнов, В. Б. Яшин
СВАРКА ВЗРЫВОМ НА ТОНКИХ ЗАЗОРАХ: ОСОБЕННОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАСЫПНЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ
Ключевые слова: сварка взрывом, взрывчатое вещество, область сварки взрывом, воздушная ударная волна.
Описан метод сварки взрывом (СВ), основанный на использовании теплового воздействия воздушной ударной волны, образующейся в тонком зазоре между свариваемыми металлическими поверхностями. В описанном методе, как и в «классической» СВ, сварка осуществляется давлением продуктов детонации, однако, если в зазоре между соединяемыми пластинами создается высокоинтенсивная воздушная ударная волна, то её энергия разогревает и оплавляет свариваемые поверхности пластин. При этом зазор, параметры заряда ВВ, габариты заряда ВВ и класс чистоты обработки свариваемых поверхностей должны строго соответствовать условиям возникновения между пластинами воздушной ударной волны, которая формирует в зазоре высокотемпературную плазму.
Keywords: welding by explosion, explosive, area of welding by explosion, air shock wave.
The present paper describes the method of welding by explosion, based on the use of the thermal effect of the air shock wave formed in the thin gap between the welded metal surfaces. In the described method, as well as in the "classical" welding by explosion, the welding is carried out by the pressure of the detonation products, however, if the high-intensity air shock wave is created in the gap between the connected plates its energy will warm up and melt off the welded surfaces of the plates. Thus the gap, the parameters of the explosive charge, the dimensions of the explosive charge and the class of the welded surface finish should strictly correspond to the conditions of the occurrence of the air shock wave between the plates which forms the high-temperature plasma in the gap.
Под термином «сварка взрывом» (СВ) понимается явление соединения металлических пластин, произошедшее при их соударении вследствие метания продуктами детонации взрывчатого вещества ВВ. Первые работы по сварке взрывом проведены в США и СССР и относятся к периоду 1958-63гг., а первый патент был получен Дж.Пирсоном в 1960 г. (патент США № 3024526).
Номенклатура материалов, свариваемых взрывом, велика и составляет несколько сотен сочетаний различных металлов и сплавов, а номенклатура схем сварки взрывом к настоящему времени содержит более 1000 вариантов. Практически во всех технических решениях процесс сварки металлов в твердой фазе предусматривает последовательное создание физического контакта двух материалов, при котором в результате пластической деформации контактирующих поверхностей возможно их прочное соединение, причем скорость точки контакта должна быть меньше скорости звука в свариваемых пластинах. Соединение металлов возможно только при применении нагрузок, превышающих предел текучести материалов. Основными элементами сварки взрывом являются: неподвижная деталь и пластина, метаемая продуктами взрыва. Такова сущность так называемой «классической» сварки взрывом.
В середине девяностых годов в ФГУП «ГосНИИМаш» разработан новый способ сварки взрывом с использованием теплового потока ударно-сжатого воздуха. В этом способе сварка осуществляется давлением продуктов детонации, при этом в зазоре между соединяемыми пластинами создаётся воздушная ударная волна, энергия которой предварительно разогревает и оплавляет свариваемые поверхности пластин.
Суть предложенного способа заключается в следующем (рис.1). Заряд взрывчатого вещества (4) устанавливается на наружную поверхность одной из свариваемых пластин (3). Между свариваемыми пластинами (2) и (3) выставляется зазор Н, строго соответствующий условиям возникновения высокоинтенсивной воздушной ударной волны (5). Условия эти в общем случае зависят от параметров детонации взрывчатого вещества (ВВ), характеристик материала пластины 3, свойств газовой среды.
б)
Рис. 1 - Схема сварки взрывом (а) и процесс формирования воздушной ударной волны в зазоре (б): 1 - подложка, 2 - неподвижная пластина, 3 - метаемая пластина, 4 - заряд ВВ, 5 - воздушная ударная волна
Сварка взрывом может осуществляться либо при непосредственном контакте ВВ с метаемой пластиной, либо через буферную прокладку, что предохраняет поверхность пластины от прямого действия продуктов детонации.
Воздушная ударная волна (5) формирует в зазоре высокотемпературную плазму. Поток тепла от плазмы разогревает поверхностный слой пластин до температуры плавления, обеспечивая при последующем контакте сварку пластин между собой. Для качественной сварки необходимо создать условия контакта расплавов пластин с последующим охлаждением до температуры ниже температуры плавления до прихода волн разрежения. Тепловой поток, поступающий из газа в металл, определяется уравнением:
^.р-иСът^+Т-Г4)
где Г* = 8 Маха; Т, С
р-У-1 М2
2
; St, М - числа Стантона и
р, р - температура, теплоемкость и плотность воздуха соответственно; Тс - температура металла; у - показатель адиабаты воздуха; и -массовая скорость воздуха; о - постоянная Стефана-Больцмана.
На рис. 2 приведены результаты эксперимента по свариванию двух высокотвердых броневых пластин, в процессе которого было зарегистрировано свечение воздушной ударной волны в зазоре.
Рис. 2 - Снимок (экспозиция 500 нс) свечения высокоинтенсивной воздушной ударной волны в зазоре между свариваемыми пластинами: верхний снимок - статика, нижний - динамика
Наиболее эффективно процесс теплопередачи будет осуществляться, если в зазоре реализовать турбулентный режим течения. В этом случае число Стантона будет равно:
^ •
У
1
и
21п-+ 1.74
RZ ,
где Н - величина зазора между пластинами; RZ -высота неровностей профиля (шероховатость).
Таким образом, уровень теплового потока, поступающего из плазмы в металл, зависит от
скорости детонации, шероховатости поверхности величины зазора (Н) и лежит в пределах от 1,3^ 109 до 4,1 • 10 10 Дж / м^с (рис. 3).
д*10 5, дж/м2*с
60
50
40
30
20
10
— _П-Й П 1гм/г
и — о. и а.м/ и
0=4.5 км/с —— 1
1 2 3 4 1д М/Иг
Рис. 3 - Зависимость теплового потока q из ударно-сжатого воздуха в металл от величины зазора между свариваемыми пластинами для различных скоростей детонации
По величине теплового потока, реализующегося при турбулентном режиме движения, можно оценить температуру и глубину прогрева (проплавления) свариваемых металлов. Глубина прогрева И, в общем случае, зависит от скорости детонации и времени действия воздушной ударной волны (рис.4).
Рис. 4 - Зависимость глубины h проплавления шероховатостей поверхности от времени действия 1 воздушной УВ
Также как и при «классической» сварке взрывом описанный процесс сопровождается развитием регулярного волнообразования на поверхности контакта. При этом существенную роль играет действие вязких и инерционных сил, развивающихся в области соударения. В нашем случае, когда за счет разогрева от ударно-сжатого в зазоре воздуха поверхностные слои образцов успевают расплавиться до своего соприкосновения, их вязкость падает до сантипуазов, т.е. на несколько порядков. При этом доминантный размер волнообразования смещается в микронную область, что согласуется с экспериментальными измерениями микрошлифов - высота гребня у образцов сталь-сталь, сталь-медь, сталь-титан составляет 5^15 мкм (рис.5).
Основными кинематическими параметрами, характеризующими процесс сварки взрывом, являются скорость движения точки контакта при соударении двух пластин (Ук) и угол соударения пластин (у). Образование прочного соединения
2
возможно лишь в достаточно узком диапазоне измерения параметров Vк и у, по границам которого определяют область сварки или, как его ещё называют, окно свариваемости (рис.6).
сталь + сталь медь + сталь
сталь + титан
Рис. 5 - Процесс волнообразования при сварке взрывом тепловым потоком
"У
\|
Рис. 6 - «Окна» свариваемости сварки взрывом
Границам этой области придаётся определенный физический смысл. Правая граница (1) соответствует сверхзвуковому (неустойчивому) режиму сварки. Согласно этому критерию скорость контакта должна быть меньше скорости звука в металле. Левая граница (2) тесно связана с вопросом пластической деформации. Физический смысл этого критерия состоит в том, чтобы давление в точке контакта превышало прочность свариваемых металлов. Нижняя граница (3) соответствует прекращению волнообразования. Она обычно наиболее интересна, поскольку вблизи этой границы сварка наиболее экономична, т.к. требует минимального количества ВВ. Верхняя граница (4) связана с сохранением образовавшегося соединения, которое может быть разрушено волнами разгрузки. Метод сварки взрывом с использованием теплового потока ударно-сжатого воздуха также имеет свою область сварки взрывом («окно» свариваемости). Основными отличиями «окна» свариваемости является то, что оно смещается в сторону уменьшения угла соударения (до 1^2°), что
приводит к уменьшению количества ВВ; и в сторону увеличения контактной скорости (до 4,5^7,6 км/с), что практически снимает ограничения на скорость детонации используемого ВВ. При этом остаются аналогичными критерии определения границ у «окна» свариваемости :
• нижняя - прекращение волнообразования;
• левая - преодоление предела текучести, хотя на него может быть наложено и другое условие, определяющее минимальные параметры ударно волны, способной расплавить свариваемые поверхности;
• верхняя - приход волны разгрузки до момента остывания расплавов;
• правая, - которая в «классике» связана с ограничением по скорости звука в металле, здесь связана с ограничением скорости истечения ударно-сжатого воздуха.
Основным преимуществом данного метода является снижение уровня нагрузок, необходимых для разгона метаемой пластины и преодоления предела текучести. Это приводит к уменьшению количества ВВ в 2^3 раза, и, как следствие, снижению пластических деформаций в 5^10 раз, практическому исключению зон непроваров. Однако необходимость создания
высокоинтенсивной ударной волны в зазоре между свариваемыми пластинами накладывает ряд особенностей в применении насыпных взрывчатых материалов для практической реализации данного метода. В частности, к настоящему времени, не удалось получить качественное соединение при использовании ВВ с параметрами скорости детонации ниже тротила, что неизбежно повышает себестоимость описанного метода.
Тем не менее, представленный метод расширяет номенклатуру свариваемых материалов и позволяет работать как с мягкими материалами, так и с высокотвердыми сталями: 110Т13Л, У10А, 40Х13, броневые стали.
Прочностные испытания в большинстве случаев показали прочность сварного шва либо на уровне наименее прочного металла, либо хуже, чем в «классической» сварке взрывом (пара сталь - титан).
АО «ГосНИИМаш» имеет практический опыт работы в области сварки взрывом, в том числе по изготовлению, как небольших изделий, так и крупногабаритных биметаллических
полуфабрикатов. Так, в частности, были отработаны режимы сварки и изготовлены:
- токоведущие элементы (сталь 3- медь М1; сплав алюминия Д16Т - медь М1 - см. рис.7а);
- биметаллические листы (сплав олова АО1 -конструкционная сталь Ст10) для изготовления антифрикционных вкладышей при производстве дизельных двигателей (см. рис. 7б) ;
- полуфабрикаты металлических днищ (титан ВТ1 - алюминий АД-0) для изготовления хлорного электролизёра;
- биметаллические тоководы (медь М1 - титан ВТ1-0; медь М1 - сталь 12Х18Н10Т) для мембран;
- отработаны режимы соединения никелевого сплава ХН65МВУ со сталью 12Х18Н10Т и
изготовлены заготовки диаметром 2,2 м для трубных досок теплообменного аппарата;
- отработаны режимы сварки взрывом пластин из стали Гатфильда (110Г13Л, см.рис.7в ) в применении к ремонту изношенных крестовин;
в
Рис. 7
- отработаны режимы соединения броневых листов из стали Ц-85 и изготовлены образцы многослойных бронепреград, отработаны режимы термодеформационного упрочнения этих гетерогенных композиций и проведены испытания на пулестойкость (см. рис.8): испытания показали увеличение пулестойкости на 20^25%, что позволило создать стальную бронезащиту с массовыми характеристиками не хуже керамической брони и значительно превышающей керамику по живучести;
Рис. 8
- отработан режим сварки полосами и изготовлен полуфабрикат перегородок (титан ВТ1 - сталь 3 габаритом 1200х700 см. рис.9) хлорных станций обеззараживания воды
Рис. 9
Необходимо подчеркнуть, что в трех последних случаях (сталь Гатфильда, броня и соединение титан-сталь) получить качественное соединение другими способами, включая «классическую» сварку взрывом, крайне затруднительно.
Выводы
В данной работе показано, что, несмотря на ряд преимуществ, таких как снижение величин пластических деформаций и уменьшение краевых зон непроваров, описанный метод требует применения достаточно дорогих насыпных ВВ. Однако, для ряда прецизионных, требующих минимизации деформационного воздействия, случаев, а также для трудносвариваемых пар металлов, данный способ сварки взрывом является наиболее преимущественным.
Литература
1. Патент 2243871. Российская Федерация, МПК 7 В 23 К 20/08. Способ сварки взрывом / В.К. Ашаев, Г.С. Доронин, Е.И. Ермолович, В.Б. Яшин; заявитель и патентообладатель ФГУП «ГосНИИмаш». - № 2003125043/02; заявл. 12.08.2003.; опубл. 10.01.2005. Бюл. № 1.- 6 С.
2. В.М. Кудимов, А.Я. Коротков Сварка взрывом в металлургии,- М. : Металлургия, 1978.- 168с.
3. Ю.Л. Алексеев и др., Физика и химия обработки материало. 1992, № 3, С. 140-145.
4. Deribas, A.A. Explosive welding: weldability range. Shock-Assisted Synthesis and Modification of Materials /[Edited by A.A. Deribas and Yu Sheck].- Moscow: TORUS PRESS. 2007. p.p. 28-34.
© В. В. Гундорин - начальник испытательной станции АО «Государственный научно-исследовательский институт машиностроения» (АО «ГосНИИмаш»), kristall@niikristalLru; Е. И. Ермолович - ведущий научный сотрудник АО «ГосНИИ «Кристалл», И. А. Кузнецов - генеральный директор АО «ГосНИИмаш», А. С. Смирнов - доктор техн. наук, начальник отдела АО «ГосНИИмаш», В. Б. Яшин - канд. техн. наук, начальник лаборатории АО «ГосНИИмаш».
© V. V. Gundorin - Chief of test station , JSC State Scientific Research Institute of Mechanical Engineering, kristall@niikristalLru; Ye. I. Yermolovich - Leading research fellow, JSC State Scientific Research Institute "Kristall", I. А. Kuznetsov - Director General, JSC State Scientific Research Institute of Mechanical Engineering, A. S. Smirnov - Doctor of Technical Sciences, Chief of department , JSC State Scientific Research Institute of Mechanical Engineering, V. B. Yashin - Candidate of Technical Sciences, Chief of laboratory, JSC State Scientific Research Institute of Mechanical Engineering.
