CC BY
97Приглашенная лекция СВАРКА ВЗРЫВОМ: ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
Первухина Ольга Леонидовна
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения
РАН, Черноголовка, pol@ism.ac.ru
DOI: 10.24411/9999-004A-2019-10003
В конструкции современного оборудования для атомного, нефтехимического, судостроительного машиностроения используются двухслойные крупногабаритные листы (биметаллы), которые объединяют в себе полезные свойства составляющих. Биметаллы обладают комплексом ценных свойств: конструкционная прочность и коррозионная и эрозионная стойкость, жаропрочность и другие сочетания свойств. Применение биметаллов позволяет не только повысить надёжность и долговечность большого класса деталей и оборудования, но и значительно экономить дорогостоящие цветные металлы и сплавы. Основными задачами в технологии производства биметаллов является создание прочного соединения составляющих слоев по всей поверхности контакта при заданном соотношении их толщины, формировании требуемой структуры, свойств каждого из слоев и биметалла в целом.
Относительная простота процесса, возможность соединять с высокой прочностью практически любые металлы и сплавы и возможность проводить работы без значительных капитальных затрат с использованием простейшего оборудования определили быстрое развитие метода сварки взрывом. Гибкость процесса, то есть переход от производства одного типа биметалла к другому не требует для большинства пар металлов кардинального изменения технологии.
Сварка взрывом сегодня из экзотического процесса стала обычным процессом промышленного производства биметалла, создавая конкуренцию традиционным методам металлургического производства: пакетной прокатки, электрошлаковой и электродуговой наплавки. Основные преимущества сварки взрывом универсальность и низкая энергоёмкость. Равнопрочное соединение слоёв образуется в твёрдой фазе, поэтому исходные материалы не изменяют своих свойств.
Основными недостатками метода сварки взрывом при производстве крупногабаритных листов с плакирующим слоем из коррозионностойкой стали, титана, медных и др. сплавов является возможное появление локальных дефектов сплошности соединения, участков пониженной прочности соединения и других дефектов. Отсутствие качественной связи между слоями по всей поверхности соединения может вызвать расслоения в процессе изготовления и
эксплуатации оборудования из двухслойного листа, в частности, при выполнении операций гибки, резки, правки, холодной и горячей деформации, а также сварки. Это делает двухслойный лист непригодным для изготовления оборудования. Наличие локальных несплошностей требует проведения дорогостоящего и трудоемкого ремонта, в случае биметалла сталь-титан, ремонт практически не возможен. Помимо перечисленных требований биметаллы, полученные сваркой взрывом должны отвечать и всем традиционным требованиям к биметаллической металлопродукции.
В опубликованных исследованиях основное внимание уделяется вопросам волнообразования, деформации в зоне соединения, структуре соединения, процессам диффузии, образованию вихревых зон и т.п. В тоже время мало уделяется внимания процессам, идущим впереди точки контакта в сварочном зазоре. При соударении в режиме сварки взрывом в сварочном зазоре впереди точки контакта образуется ударно-сжатый газ, создаются высокие температуры и давление, происходят сложные физико-химические процессы, прямое наблюдение за которыми затруднено из-за наличия воздушной ударной волны и продуктов детонации.
При образовании соединения можно выделить три характерные зоны: точка контакта (I), зона впереди точки контакта (II) и зона формирования соединения (III).
Рис.1. Зоны, выделяемые при образовании соединения в процессе сварки взрывом: I- зона точки контакта, II - зона впереди точки контакта, III- зона формирования соединения. D - скорость детонации, V- скорость движения
ударно-сжатого газа.
В работе процесс образования соединения рассмотрен по классической теории сварки давлением, предусматривающей необходимость создания активных центров на свариваемых поверхностях. Эта теория распространяется на сварку давлением в твёрдой фазе любых кристаллических тел. При наличии
активных центров на металле время их непосредственного химического взаимодействия (образования связи) мало или практического значения не имеет. Если атомы уже сближены до расстояния, равного периоду решётки, то образование связей между ними произойдёт мгновенно и с выделением энергии (рис.1, зона I). Образование активных центров обусловлено разрывом хотя бы части связей поверхностных атомов с их соседями, нарушающими стабильные электронные конфигурации этих атомов. Образованию активных центров мешают, имеющиеся на поверхности металла в зоне II (рис.1) хемосорбированный слой, плёнка окислов, слой адсорбированных газов и влаги и слой органических загрязнений (масляная плёнка). Состав и толщина окисной плёнки зависит от состава металла или сплава, от давления, температуры газовой фазы и продолжительности взаимодействия с ней металла. Возможность разрушения и удаления окисных плёнок при сварке зависит от ряда факторов: прочности связи окисла с металлом, твёрдости окисла, температуры плавления окисла. На поверхности самих окисных плёнок возможно наличие адсорбированных газов, влаги и органических веществ. Органические загрязнения особенно затрудняют сварку давлением. Тонкий граничный слой масел, жирных кислот, парафинов, находящихся на металлической поверхности, удерживаются на ней адсорбционными силами и достигается прочная связь между молекулами органического вещества и поверхностными атомами металла, а также вследствие их отвердения в граничном слое. Многие органические вещества способны легко проникать в несплошности на поверхности металла и могут существенно влиять на условия сварки давлением. Для образования соединения при сварке взрывом необходимо перед вступлением свариваемых поверхностей в контакт произвести их очистку и активацию тогда соединение в точке контакта произойдёт мгновенно с дальнейшим формированием соединения (рис.1, зона III).
В работе рассмотрены применительно к сварке взрывом механизмы активации свариваемых поверхностей и способы очистки их от органических загрязнений до образования физического контакта в точке соударения:
• возможность термической активации за счёт тепла, выделяющегося при ударном сжатии газа (УСГ) в сварочном зазоре впереди точки контакта. Расчёты по различным методикам показали, что, нагрев свариваемых поверхностей за счёт УСГ не превышает 300-400 оС и зависит от режима сварки и теплофизических свойств свариваемых материалов, что недостаточно для заметной активации свариваемых поверхностей и удаления окисных плёнок и органических загрязнений.
• возможность образования активных центров и очистки поверхностей за счёт бомбардировки поверхностей ионами или быстродвижущимися частицами с достаточно высокой энергией. В сварочном зазоре впереди точки контакта УСГ движется с гиперзвуковой скоростью (5-6 махов). При обтекании им свариваемых поверхностей на границе раздела происходит термическая
ионизация газа с образованием тонких слоев ударной плазмы. Расчёты степени ионизации по формулам Саха и Саха-Легмюра показали, что в пограничном слое между УСГ и поверхностью свариваемых металлов степень ионизации будет близка к единице. Под воздействием УСГ происходит нагрев поверхностных слоёв, а под воздействием термической ионизации очистка от окислов и загрязнений и активация поверхности. Время воздействия 10-6-10-5 сек. Чистые и активные поверхности вступают в контакт в точке соударения и образуют соединение, формирование которого продолжается за точкой контакта и сопровождается интенсивной пластической деформацией.
Таким образом, при образовании соединения при сварке взрывом одновременно действуют два механизма активации свариваемых поверхностей перед вступлением их в контакт: воздействие ударно-сжатого газа и плазменных потоков на границе УСГ-поверхность металла и поверхностная пластическая деформация. Если сварка проводится в глубоком вакууме, то очистка происходит за счёт воздействия вакуума и преобладает второй механизм активации, при сварке на режимах с получением безволновых соединений -первый (поверхностная пластическая деформация).
На основании расчетов истечения газа из сварочного зазора в процессе сварки взрывом установлено, что размер области УСГ ограничен и зависит от ширины, длины листов и скорости точки контакта. Анализ исследования структуры соединения длинномерных образцов и результатов расчетов показывает, что по мере удаления точки контакта от начала процесса увеличивается время воздействия ударно- сжатого газа на свариваемые поверхности. Это приводит с начала к оплавлению микронеровностей, а затем появлению сплошных расплавов. Этот факт устанавливает границы предельных размеров листов, свариваемых методом сварки взрывом.
Рис. 2. Зависимость длины области ударно-сжатого газа от длины листа в среде воздуха при скорости точки контакта Ук = 2200 м/с и различной ширине листа.
а
б
Рис.3. Структура границы соединения биметалла 09Г2С+08Х18Н10Т на различных расстояниях от начала сварки: 1 м (а) и 9 м (б).
На основании рассмотренных представлений проведен комплекс экспериментальных исследований процесса сварки взрывом на крупногабаритных листах. На парах титан+титан и титан+сталь выявлено, что атмосфера в сварочном зазоре при сварке взрывом оказывает ключевое влияние
на структуру зоны соединения слоев. Исследованы особенности сварки взрывом в среде защитных газов металлов, образующих интерметаллидные соединения, и выявлены причины образования характерных дефектов в различных зонах крупногабаритного листа. Экспериментально исследованы закономерности пластической деформации основного и плакирующего слоев крупногабаритных листов вне зоны их соединения, влияние на эти процессы окружающей среды и установлена их связь с образованием дефектов.
В результате исследований разработаны и внедрены (рис. 4) современные технологии промышленного производства крупногабаритного биметалла, позволяющие получать двухслойные листы с равнопрочным соединением без указанных выше дефектов.
Рис. 4. Листы биметалла: сталь+коррозионностойкая сталь, размером 2х13 м, после сварки взрывом (а) и сталь+титан, размером 2х2 м после правки.
