Виды сварки - Сварка взрывом

Сварка взрывом

Первые случаи сварки металлов взрывом были зафиксированы в 1944 – 1946 гг. М.А. Лавретьевым с сотрудниками в Институте математики АН УССР при проведении экспериментов с кумулятивными зарядами. Однако прошло еще около десяти лет, пока появились необходимые предпосылки для создания способа сварки металлов с помощью энергии взрыва. В 50-е гг. ХХ в. был достигнут значительный прогресс в применении энергии взрыва для штамповки, прессования и упрочнения металлов. Это способствовало поиску новых областей применения энергии взрыва в металлообработке. Наиболее интенсивно эти работы начали проводиться в США и СССР.

Первые сообщения о соединении металлических деталей с помощью энергии взрыва были опубликованы американскими инженерами в конце 50-х – начале 60-х гг. прошлого века. Первоначально получали соединения листов при их штамповке взрывом. Естественно, что в этом случае происходили нормальные соударения шероховатых тел. Как показали дальнейшие эксперименты, эта схема оказалась неэффективной и не нашла практического применения. В эти же годы инженеры американской фирмы «Дюпон Де Немур» в результате исследований косых соударений пластин, метаемых плоским зарядом ВВ, разработали достаточно совершенную технологию сварки взрывом, которая была запатентована и опубликована в 1964 г. В 1961 г. «угловая схема» сварки взрывом была создана учеными Института гидродинамики СО АН СССР В.С. Седых, А.А. Дерибасом, Е.И. Бигенковым и Ю.А. Тришиным.

Сварка взрывом по виду вводимой энергии относится к группе механических процессов соединения металлов. При ней химическая энергия превращения заряда взрывчатого вещества (ВВ) в газообразные продукты взрыва трансформируется в механическую энергию их расширения, сообщая одной из свариваемых частей большую скорость перемещения. Кинетическая энергия соударения движущейся части с поверхностью неподвижной части затрачивается на работу совместной пластической деформации контактирующих слоев металла, приводящей к образованию сварного соединения. Работа пластической деформации переходит в тепло, которое вследствие адиабатического характера процесса из-за больших скоростей может разогревать металл в зоне соединения до высоких температур (вплоть до оплавления локальных объемов).

Принципиальная схема сварки взрывом показана на рис. 7. На основании 1 (земляной грунт, дерево, металл и т. п.) расположена одна из свариваемых деталей 2 (в простейшем случае пластина), над ней параллельно с определенным зазором h расположена вторая деталь 3 на технологических опорах 4. На ее внешней поверхности находится заряд ВВ 5 заданной высоты  Н и  площади, как  правило, равной площади пластины 3 (наиболее широко применяемые для сварки взрывом насыпные ВВ помещаются в открытом контейнере соответствующих размеров). В одном из  концов заряда  ВВ  находится детонатор 6.

При инициировании заряда ВВ по нему распространяется фронт детонационной волны со скоростью D, лежащей для существующих ВВ в пределах 2000—8000 м/с, определяющейся их химическим составом и физическим состоянием. Образующиеся позади него газообразные продукты взрыва в течение короткого времени по инерции сохраняют прежний объем ВВ, находясь в нем под давлением 100—200 тыс, ат, а затем со скоростью 0,50—0,75 D расширяются по  нормалям   к  свободным   поверхностям  заряда,   сообщая   находящемуся   под ними участку металла импульс, под действием которого объемы изделия последовательно вовлекаются в ускоренное движение к поверхности неподвижной части металла и со скоростью ϑ_c соударяются с ней. При установившемся про; цессе метаемая пластина на некоторой длине дважды перегибается, ее наклонный участок со скоростью  ϑ_k = D движется за фронтом детонационной волны, а участок перед ее фронтом с непродетонировавшей частью заряда ВВ под действием сил инерции продолжает занимать исходное положение (рис. 8).

Высокоскоростное соударение метаемой части металла с неподвижной развивает в окрестностях движущейся вершины угла γ встречи их контактирующих поверхностей давления 10² — 10³ кбар. Вызываемое им всестороннее неравномерное сжатие с наиболее благоприятными условиями для пластического течения в направлении процесса сварки благодаря наличию свободной поверхности перед вершиной утла γ и возникновению тангенциальной составляющей скорости ϑ_c   заставит металл  поверхностных слоев обеих соударяющихся  частей совместно деформироваться в этом же направлении со скоростью ϑ_k. что приводит к тесному сближению свариваемых частей. При этом процессе окисные пленки и другие поверхностные загрязнения дробятся, рассредоточиваются, а также выносятся из вершины угла у под действием кумулятивного эффекта.

Таким образом, реализуется известная способность металлов образовывать прочные металлические связи в твердой фазе при создании между соединяемыми поверхностями физического контакта и условий для электронного (химического) взаимодействия между ними. Требующаяся для второй стадии процесса энергия активации обеспечивается за счет работы пластической деформации и вызываемого ею нагрева. Объемная диффузия из-за скоротечности процесса, даже несмотря на нагрев, развиваться не успевает, что позволяет широко применять сварку взрывом для соединения разнородных металлов и сплавов —  граница раздела металлов обычно резко выражена и имеет вид регулярных синусоидальных волн (рис. 9).

Параметры режима сварки

Динамическими параметрами процесса сварки взрывом являются скорость соударения контактирующих поверхностей ϑ_c; скорость движения вершины угла встречи контактирующих поверхностей вдоль соединения ϑ_k; кинетическая энергия соударения свариваемых частей W (отнесенная для удобства к единице площади соединения).

При соударении свариваемых частей по ним распространяется система ударных волн — упругой и следующей за ней пластической, последняя из которых возникает при развитии в окрестностях вершины угла γ определенного динамического давления р и приводит к совместной пластической деформации контактирующих слоев металла.

Особенности микронеоднородности сварных соединений

Физическая и химическая микронеоднородность, являющаяся общей чертой всех сварных соединений из-за местного приложения энергии при сварке взрывом разделяется на 10 основных видов, обусловленных характером и параметрами этого процесса, свойствами и сочетаниями соединяемых материалов.

Физическая   микронеоднородность:
не обнаруживающиеся средствами оптической металлографии  участки границы раздела металлов с низкой,  доходящей до 0 прочностью,  образующиеся при недостаточных величинах ϑ_c и W, видимо, вследствие недостаточного развития пластической деформации, обеспечивающей создание только физического контакта;
участки мартенситнои структуры на границе раздела углеродистой и легированной стали, иногда образующиеся из-за чрезмерного локального выделения тепла пластической деформации при развитии се неравномерности по профилю волн и быстрого отвода тепла в прилежащий холодный металл (рис. 12);

повышающие прочность соединений   слои   металла  у границы   раздела,   упрочненные   пластической   деформацией,  ширина   и   твердость которых растет с увеличением  W (рис. 13);

участки рекристаллизованной структуры вблизи границы раздела металлов или оплавленных участков, образующиеся под действием тепла пластическойдеформации или тепла, выделяющегося при кристаллизации оплавленного металла (рис. 15).

Химическая микронеоднородность:
локальные участки оплавленного металла трех видов, образующиеся в соединениях разнородных металлов со свойствами, обусловленными их сочетаниями:состоящие из твердых растворов, обладающих непрерывной взаимной растворимостью, практически не влияющие (а иногда и повышающие) на прочность соединений, если они не содержат кристаллизационных дефектов; состоящие из интерметаллических соединений и эвтектик в композициях с ограниченной растворимостью (например, титан — сталь), практически не участвующие в работе соединений и линейно    снижающие    их     прочность    с ростом   относительной     протяженности (рис. 16);

состоящие   из мелкодиспергированных   частиц  обоих сваренных металлов в композициях, не взаимодействующих в равновесном состоянии (например, серебро — сталь), (см. рис. 15); примыкающие к границе раздела металлов слои с однофазной структурой в соединениях двухфазных сплавов с второй фазой, упрочняющей границы твердого раствора; при этом вторая фаза скапливается на внешних границах однофазных слоев. Механизм образования этой неоднородности требует специального изучения.

В заключение необходимо отметить отсутствие на границах раздела разнородных металлов диффузионных зон или перемешивания (в соединениях без оплавленных участков), не обнаруживаемых электронной микроскопией и локальным рентгеноспектральным анализом, что позволяет с помощью сварки взрывом получать прочные соединения между разнородными металлами и сплавами.

Влияние исходного состояния свариваемых материалов

Повышение исходной твердости обоих или одного из свариваемых металлов при неизменных параметрах процесса вызывает уменьшение длины и амплитуды волн на границе раздела металлов и увеличение относительной протяженности оплавленных участков. При сварке однородных материалов это почти не отражается на прочности сварных соединений, при сварке разнородных — является условием, ограничивающим получение равнопрочных соединений.

К чистоте механической обработки контактирующих поверхностей предъявляется следующее требование: шаг между зубцами характерного для механической обработки пилообразного профиля не должен превышать длины волн, зафиксированных на границе раздела металлов при выбранных (оптимальных) условиях сварки данных материалов с гладкими (шлифованными или прокатанными) поверхностями. В противном случае длина волн принудительно повторяет шаг между зубцами механической обработки с образованием завихрений, а в них — соответствующих видов микронеоднородности.Обязательными являются зачистка до металлического блеска и обезжиривание.

Взрывчатые вещества для сварки

Наиболее употребительными являются насыпные ВВ, так как они позволяют легко создавать заряды требуемых форм и размеров.

Из-за значительного разброса скоростей детонации  целесообразно для  каждой партии ВВ определять ее опытным путем.

Области применения

Перспективы и области применения сварки взрывом определяются способностью создавать в твердой фазе прочные соединения за счет поверхностных металлических связей без развития объемной диффузии вследствие скоротечности процесса на больших, практически неограниченных площадях (имеются примеры сварки соединений площадью 15—20 м²). Это позволяет применять сварку взрывом для:изготовления композиционных сутунок и слябов с высокопрочным соединением слоев из разнородных металлов, сплавов и сталей для прокатки в двух- и  многослойные листы;

непосредственного изготовления биметаллических листов  металлов  и  сплавов в любых сочетаниях;

изготовления сплошных и полых цилиндрических композиционных заготовок для профильного проката и непосредственного использования в деталях машин;

непосредственной облицовки заготовок деталей машин (например, лопастей гидротурбин) металлами и сплавами;

изготовления из разнородных металлов и сплавов плоских композиционных карточек с высокопрочным соединением слоев, вырезки из них поперек слоев переходников необходимой конфигурации (полос, колец, фланцев и т. п.) и вварки их обычными способами между деталями из одноименных материалов; в этом случае открываются широкие возможности для создания композиций с промежуточными слоями, играющими при нагревах роль диффузионных барьеров между основными, и для повышения прочности и работоспособности таких переходников с помощью контактного упрочнения промежуточных слоев при уменьшении их относительной толщины в неограниченных пределах;

изготовления в виде плоских листов и цилиндрических обечаек волокнистых композиционных материалов с неограниченным числом слоев матрицы и волокон;

изготовления некоторых типов сварных соединений между элементами конструкций из однородных и разнородных материалов (например, труб с трубными досками);

нанесения порошковых покрытий на металлические поверхности.

Источник: Николаев Г.А. "Сварка в машиностроении. Справочник. Т.1"

См. также:

• Взрыв - эффективный инструмент
• Взрыв - созидатель. О профессиях взрыва