Сварка взрывом и перспективные способы сварки

Федеральное  агентство  по образованию

Сварка взрывом

Сварка взрывом — сравнительно новый перспективный технологический процесс, позволяющий получать биметаллические заготовки и изделия практически неограниченных размеров из разнообразных металлов и сплавов, в том числе тех, сварка которых другими способами затруднена.

Сварка взрывом — процесс  получения соединения под действием  энергии, выделяющейся при взрыве заряда взрывчатого вещества (ВВ). Принципиальная схема сварки взрывом приведена  на рис. 3.49. Неподвижную пластину (основание) 4 и метаемую пластину (облицовку) 3 располагают под углом α = 2–16° на заданном расстоянии h = 2–3 мм от вершины угла. На метаемую пластину укладывают заряд ВВ 2. В вершине угла устанавливают детонатор 1. Сварка производится на опоре 5.

Рис. 3.49. Угловая схема  сварки взрывом до начала (а) и на стадии взрыва (б)

В современных процессах металлообработки взрывом применяют заряды ВВ массой от нескольких граммов до сотен килограммов. Большая часть энергии, выделяющейся при взрыве, излучается в окружающую среду в виде ударных волн, сейсмических возмущений, разлета осколков. Воздушная ударная волна — наиболее опасный поражающий фактор взрыва. Поэтому сварку взрывом производят на полигонах (открытых и подземных), удаленных на значительные расстояния от жилых и промышленных объектов, и во взрывных камерах (см рис. 3.50).

Рис. 3.50. Общий вид камеры для сварки взрывом

После инициирования взрыва детонация  распространяется поза-ряду ВВ со скоростью D нескольких тысяч метров в секунду.

Под действием высокого давления расширяющихся  продуктов взрыва метаемая пластина приобретает скорость ν_H порядка нескольких сотен метров в секунду и соударяется с с неподвижной пластиной под углом у, который увеличивается с ростом отношения ν_н/D. В месте соударения возникает эффект кумуляции — из зоны соударения выбрасывается с очень высокой скоростью кумулятивная струя, состоящая из металла основания и облицовки. Эта струя обеспечивает очистку свариваемых поверхностей в момент, непосредственно предшествующий их соединению. Со свариваемых поверхностей при обычно применяемых режимах сварки удаляется слой металла суммарной толщиной 1–15 мкм.

Соударение метаемой пластины и  основания сопровождается пластической деформацией, вызывающей местный нагрев поверхностных слоев металла. В результате деформации и нагрева развиваются физический контакт, активация свариваемых поверхностей и образуются соединения.

Исследование пластической деформации в зоне соударения по искажению координатной сетки показало, что прочное соединение образуется только там, где соударение сопровождается взаимным сдвигом поверхностных слоев метаемой пластины и основания. Там же, где взаимный сдвиг отсутствовал, и в частности в зоне инициирования взрыва, прочного соединения не было получено. Очевидно, что «лобовой» удар метаемой пластины в основание без тангенциальной составляющей скорости и сдвиговой деформации в зоне соединения не приводит к сварке.

Соединяемые поверхности перед  сваркой должны быть чистыми (в особенности  по органическим загрязнениям), так как ни действие кумулятивной струи, ни вакуумная сдвиговая деформация при соударении полностью не исключают вредного влияния таких загрязнений.

Сварка взрывом дает возможность  сваривать практически любые  металлы. Однако последующий нагрев сваренных заготовок может вызвать интенсивную диффузию в зоне соединения и образование интерметаллидных фаз. Последнее приводит к снижению прочности соединения, которая при достаточно высоких температурах может снизиться практически до нуля. Для предотвращения этих явлений сварку взрывом проводят через промежуточные прослойки из металлов, не образующих химических соединений со свариваемыми материалами. Например, при сварке титана со сталью используют в качестве промежуточного материала ниобий, ванадий или тантал.

Сварка взрывом применяется  для плакирования стержней и труб, внутренних поверхностей цилиндров  и цилиндрических изделий (рис. 3.51). При плакировании стержней трубу 1 (рис. 3.52, а) устанавливают с зазором  на стержень 2. Внутреннюю поверхность  трубы и наружную поверхность стержня механически обрабатывают и обезжиривают.

Рис. 3.51. Плакированный  взрывом подпятник пресса

На наружную поверхность трубы  помещают заряд взрывчатого вещества 3, инициирование которого производят по всему сечению одновременно так, чтобы взрыв распределялся по заряду нормально его оси. Для создания такого фронта используют конус из ВВ с детонатором 4 в его вершине. Для изоляции зазора от продуктов детонации и центрирования трубы относительно стержня в верхней её части устанавливается металлический конус 5. В случае плакирования трубных заготовок 6 внутрь их устанавливается стержень 2. Толщина плакирующей трубы может быть от 0,5 до 15 мм, а диаметр теоретически не ограничивается.

При плакировании внутренних поверхностей используется схема, показанная на рис. 3.52, б. Она предусматривает размещение плакируемой трубы 1 в массивной матрице 2. Внутрь трубы 1 с зазором устанавливают плакирующую трубу 3 с зарядом ВВ 4, инициируемого детонатором 5. Для внутреннего плакирования крупногабаритных труб и цилиндрических изделий ответственного назначения применяют вместо массивной матрицы 2 дополнительный заряд, расположенный на наружной поверхности плакируемого цилиндра и взрываемый одновременно с внутренним зарядом.

Рис. 3.52. Схема плакирования взрывом стержня (а) и внутренней поверхности трубы (б)

Современные способы сварки давлением

 
Все существующие в настоящее время способы сварки принято разделять по технологическим признакам на две группы: способы сварки плавлением и способы сварки давлением. 
К первой группе относятся все способы сварки, в которых формирование непрерывной кристаллической структуры происходит в результате кристаллизации расплавленного металла в зоне шва без воздействия каких-либо статических, ударных или вибрационных давлений. Довести металл до расплавленного жидкого состояния можно любыми сварочными источниками тепла, каждый из которых может по-своему иметь или не иметь собственного, особого влияния на качество расплавляемого металла. 
Ко второй группе относятся способы сварки, при которых металл непосредственно в зоне шва может быть холодным или же иметь температуру ниже или выше точки плавления, но, самое главное, сваривание происходит при действии на сварное соединение статического, ударного или даже высокочастотного вибрационного давления. 
Схема сварки по методу А. М. Игнатьева. Как известно, при этом способе сварки нагрев деталей бесконтактный. От трансформаторов ролики подводят ток к свариваемым деталям и сдавливают их. Сварочный ток от каждого трансформатора проходит по прилегающей к нему детали и может быть отрегулирован в каждом трансформаторе соответственно размерам нагреваемых деталей. Отсюда видно, что отличительная особенность сварки по методу А. М. Игнатьева заключается в том, что направление тока здесь перпендикулярно направлению действия давления (формула А. М. Игнатьева: «Ток перпендикулярен давлению»). При нормальной контактной сварке можно убедиться, что направление тока через свариваемый контакт всегда совпадает, с направлением действия давления. Сварка по методу А. М. Игнатьева в настоящее время имеет весьма ограниченное применение (при изготовлении некоторых заготовок для инструмента). 
Контактно-шлаковая сварка, разработанная в Институте электросварки им. Е. О. Патона, до настоящего времени также получила пока незначительное распространение. Сущность ее сводится к тому, что контакт между свариваемыми деталями осуществляется через расплавленный флюс, что значительно снижает электрическую мощность. 
Схема нового использования электрической дуги для нагрева металла. Это так называемый способ сварки вращающейся (или подвижной) дугой, пригодный для стыковой сварки труб. На концах труб размещаются катушки, создающие в зазоре между трубами магнитный поток, силовые линии которого направлены все время радиально. От генератора постоянного тока зажигается электрическая дуга, которая в данном случае может рассматриваться как идеально подвижный проводник. 
Скорость перемещения дуги по кромкам труб настолько велика, что получается внешнее впечатление сплошного кругового огня. Бегающая дуга постепенно нагревает торцы труб и по достижении такого же распределения температур металла, как и при стыковой контактной сварке, трубы свариваются давлением, направленным по оси труб. Существуют и другие варианты подвода сварочного тока и возбуждения магнитного потока. Однако практическое значение для успеха этого метода сварки будет иметь создание в зазоре между трубами газозащитной атмосферы, которая позволит получить высококачественные сварные соединения. 
Сварка давлением с высокочастотным нагревом может использоваться также при различных вариантах токоподвода. Одна из схем высокочастотного нагрева тонкостенных труб. Здесь высокочастотный ток от генератора подводится к индуктору, представляющему собой петлю из прямого и обратного проводов. На эти провода, сделанные из трубок и охлаждаемые внутри водой, надеваются слоистые железные сердечники для концентрации магнитного потока. Индукторы с магнитными сердечниками играют роль своеобразного трансформатора, у которого первичным витком является провод, а магнитной системой — сердечник, замыкающийся нагреваемыми кромками. Роль вторичного витка играют опять-таки свариваемые кромки, которые нагреваются благодаря магнитному гистерезису (лока материал магнитен) и вихревыми токами Фуко в течение всего времени нагрева. 
Газопрессовая сварка, используемая для стыковой сварки труб, также относится к группе способов сварки давлением. Сварка осуществляется путем нагрева торцов труб газовой горелкой особой конструкции с кольцевым расположением сопел. Подробные сведения об этом способе сварки можно найти в соответствующей специальной литературе. 
Термитная сварка используется главным образом для сварки стыков у трамвайных рельсов и стальных проводов. Сущность процесса сводится к нагреву стыков, заформованных в опоке расплавленным железом и шлаком, которые получаются в тигле в результате известной термитной реакции восстановления алюминием железа из его окислов. 
Сварка холодная, трением и ультразвуковая — все это сравнительно новые способы. Сварка холодная может осуществляться в нахлестку или в стык по схеме И. Б. Баранова. Свариваемые детали, контактные поверхности которых предварительно зачищены стальными щетками, зажимаются между стальными цилиндрами, которые служат направляющими для стальных пуансонов при их движении навстречу друг другу. Пуансоны глубоко внедряются в свариваемые пластины, обеспечивая большие пластические деформации металла в зоне контакта. При этом происходит целый ряд сложных металлофизических процессов, в результате которых вокруг контакта формируется непрерывная кристаллическая структура, т. е. происходит сваривание. 
Кратко холодное сваривание можно обрисовать следующими основными процессами, которые могут проходить одновременно или порознь в большей или меньшей степени. При глубоких пластических деформациях металла разрушаются границы между зернами; сами зерна дробятся на многочисленные блоки, которые схватываются друг с другом, образуя новые зерна другой формы и размеров. При скольжении блочных осколков относительно друг друга на поверхностях скольжения мгновенно вспыхивают высокие температуры, под действием которых отдельные атомы металлических решеток и многие группы элементарных кристаллов схватываются друг с другом так, что в дальнейшем уже деформируются самостоятельными блоками до следующего мгновения, когда вновь разрушаются старые связи и возникают новые. 
Внутри металла непрерывно движутся группы кристаллов и целые кристаллические блоки, энергия которых различна. Различно также направлены и силы металлической связи. Многие атомные слои оказываются незаполненными (имеются вакансии); здесь же рядом возникают сверхнормальные сгущения в расположении атомов. Металл в микрообъемах всюду энергетически неуравновешен, благодаря чему избыточная энергия разряжается различными способами, например путем непосредственного формирования новых целых зерен из соседних осколков, когда один сосед с относительно меньшей энергией имеет незаполненные атомные или даже кристаллические «вакансии», а другой получает мгновенное энергетическое превосходство и избыток неуравновешенных атомов или элементарных кристаллов. Все эти процессы по своей природе электрические, так как каждому изменению формы любого объема металла в некоторых случаях соответствуют только упругие деформации электронных оболочек свободных электронов, а иногда и перестройка этих оболочек, сопровождаемая или микроискровыми разрядами, или круговыми микротоками, под влиянием которых с различной интенсивностью проходят процессы рекристаллизации. 
Следует отметить, что процессы рекристаллизации характерны тем, что атомы способны перемещаться только в пределах соседних зерен. Эта весьма схематически обрисованная картина внутренних процессов в металле происходит за короткое время сдавливания пуансонов, конечным результатом которого является прочное сваривание. В настоящее время хорошо освоена холодная сварка алюминия, меди и меди с алюминием. Успешно свариваются некоторые пластичные сплавы на алюминиевой основе и медь с некоторыми упрочняющими примесями (например, кадмиевая медь троллейных проводов). 
Электропроводность и механическая прочность сварных, особенно стыковых, соединений алюминия, меди и меди с алюминием получается непревзойденной. Можно считать, что для соединений такого рода контактная сварка потеряла свое значение и полностью уступила эту область холодной сварке. 
Сварка трением основана на том, что одна из свариваемых деталей вращается относительно другой под действием некоторого осевого давления. Тепловыделение обеспечивается за счет сухого трения деталей. Мгновенные температуры при непрерывных схватываниях и разрывах граничных кристаллитов, вероятно, превышают точку плавления; средняя температура в контакте близка к температуре плавления. 
Операция трения идет до тех пор, пока в результате теплопроводности не получится распределение температуры по торцам, достаточное для пластической деформации, которая осуществляется быстрым осевым давлением непосредственно после остановки вращения. Качество сварных соединений этот способ обеспечивает весьма высокое, благодаря чему трением рационально сваривать тела вращения диаметром от 8 до 35 мм, предназначенные для ответственной службы, например валы коробки передач, клапаны двигателей, инструмент и т. п. 
В настоящее время в тракторной, автомобильной и инструментальной промышленности для целого ряда деталей контактная сварка потеряла свое значение и уступила место сварке трением. 
Ультразвуковая сварка представляет собой один из новейших и оригинальных способов соединения деталей малого веса и габарита из самых разнородных металлов и сплавов. Физические процессы в контакте при ультразвуковой сварке очень сложны и к настоящему времени изучены еще недостаточно. Явления, возникающие в веществе под влиянием ультразвуковых колебаний, исключительно многообразны и необычайно результативны по конечным эффектам. В настоящее время ультразвук используется и в металлургии, и в медицине, и в текстильном производстве, и при сварке, и в химических процессах, и при механической обработке. Трудно перечислить все те области, в которых ультразвук применяется то как средство соединения, то как орудие разрушения, то как стимулятор и катализатор многих самостоятельных процессов обработки различных материалов. 
Ультразвуковые колебания отличаются от нормальных звуковых только значительно более высокой частотой и энергией. Нормальные звуковые колебания вызывают в веществе только упругие колебания, без каких-либо остаточных последствий. Энергия привычных для нас слышимых звуков относительно весьма мала, не сконцентрирована и редко имеет направленное действие. Можно сказать для примера, что если бы удалось сконцентрировать энергию одновременного крика всех жителей города, то этой энергии не хватило бы даже для того, чтобы вскипятить один стакан воды. Что касается высокочастотных ультразвуковых колебаний, то их интенсивность может достигать многих сотен ватт на квадратный сантиметр. При такой интенсивности можно не только сваривать, но и быстро разрушать металлические детали. 
Ультразвуковые волны для сварки создают с помощью особых вибраторов. На сердечник (преобразователь), сделанный из особого никелевого сплава, навита обмотка, питаемая током от высокочастотного генератора. Для многих металлов и сплавов (особенно магнитных), в том числе и тех, из которых сделан преобразователь, характерен особый магнитострикционный эффект, открытый в 1847 г. Р. Джоулем. Этот эффект заключается в том, что кристаллы меняют свой размер при изменении магнит-потока, пронизывающего этот кристалл. В зависимости от фического и магнитного строения металлов магнитострикционный эффект может проявляться в различной степени. 
Поскольку катушка питается высокочастотным переменным током (с частотой 15-25 тыс. гц), то преобразователь с такой же частотой меняет свои размеры и тем самым заставляет колебаться концентратор. Форма концентратору придается такая, чтобы на его остром конце обеспечивалась относительно высокая концентрация ультразвуковой энергии и увеличенная амплитуда колебаний. Свариваемые детали придавливаются силой Р к концентратору, благодаря чему ультразвуковая энергия от концентратора передается в свариваемые детали. 
В свариваемом контакте под влиянием ультразвуковых колебаний происходят разнообразные и сложные физические процессы. Каждый кристаллит внутри металла имеет различную магнитную и электрическую ориентацию. Поэтому под влиянием быстрых механических поворотов зерен относительно друг друга в металле и в свариваемом контакте выделяется тепло трения. 
Как будет показано далее, всякое механическое воздействие на металл в масштабах микрообъемов вызывает электрические процессы между соседними кристаллами. Эти электрические процессы могут быть или в виде круговых микротоков, или даже в виде искровых разрядов, особенно когда разрушаются связи между неметаллическими включениями и зернами металла. В конечном итоге все процессы в микрообъемах заканчиваются таким тепловыделением, которое увеличивает энергию кристаллитов и их блочных осколков и тем самым способствует процессам быстрого схватывания и сваривания под влиянием действующего давления Р. 
Особенностью ультразвуковой сварки является относительно малая зона термического влияния, благодаря чему этот способ сварки рационален в тех конструкциях приборов или радиотехнических устройств, где нельзя терять исходных свойств металла свариваемых деталей, что неизбежно при контактной сварке. 
Диффузионная сварка в вакууме, разработанная проф. Н. Ф. Казаковым, относится к новейшим способам сварки давлением. Сущность ее заключается в том, что свариваемые детали под давлением нагреваются токами высокой частоты в вакуумированном пространстве. Вакуум обеспечивает возможность возгонки поверхностных окислов, облегчает выход растворенных и адсорбированных газов из металла и способствует более активной поверхностной диффузии в плоскости контакта. Сварка может осуществляться между самыми разнородными металлами и сплавами и даже между металлами и керамическими изделиями. 
В отличие от контактной сварки конструкция деталей и свариваемого контакта в этом случае не играет решающей роли в назначении технологических режимов сварки. 
Сварка взрывом представляет собой новый, еще недостаточно освоенный процесс сваривания металла в холодном состоя» нии посредством ударно сообщаемого взрывного давления. Сварочный процесс такого рода на первый взгляд кажется лишенным перспективы развития, поскольку технология связана с небезопасной взрывной техникой. Однако уже современное состояние работ в этой области показывает, что ударное давление не обязательно связано с веществами артиллерийского происхождения. 
Область применения сварки взрывом в настоящее время ограничивается пока изделиями, поверхность которых должна покрываться тонкими сплавами металла, стойкого против коррозии. Форма поверхности и ее размеры при этом не играют той роли, которая отличает в этом отношении контактную сварку. 
В заключение общего обзора следует отметить, что родоначальником всех современных способов сварки давлением является древний способ кузнечно-горновой сварки. 
Сварог — так назывался древнеславянский бог-кузнец, бог металлургии. Сварожичем называли огонь, считая его сыном Сварога. Вероятно, отсюда и произошли русские слова «сварка», «сварить». 
Одновременно Сварога считали богом и покровителем семьи. Слово «сварить» было уже в то время синонимом крепчайшего соединения. Таинственная роль кузнеца у древних славян почиталась священной. 
Кузнец владел таинствами обработки железа и основной технологией того времени — сваркой. Найденные в раскопках инструменты, оружие и сельскохозяйственные орудия VIII— VII вв. до нашей эры, так же как и позднейших времен — Киевской Руси, показывают, что кузнечно-горновая сварка в древности была единственной технологией изготовления всех изделий из железа. При этом все инструменты и оружие делались только сварными. Режущие или рубящие кромки изготовлялись из стали с содержанием 0,6—0,9% углерода, державочные части делались из мягкого кричного железа, отличавшегося необычайной чистотой и сходного по химическому составу с современным железом армко. 
Древнеславянское оружие и инструмент удивительны не только с точки зрения исключительно высокого качества сваривания таких весьма разнородных металлов, как эвтектоидная сталь и чистое железо. Рациональна и сама конструкция сварных изделий. Пластинки высокоуглеродистой стали толщиной 2-5 мм весьма искусно вваривались в сердцевину ножа, меча или других изделий. В других конструкциях на державочную железную часть наваривалась углеродистая полоса самого лезвия. Теперь, с позиций современной науки, вполне можно оценить удивительное искусство сварки подобных изделий. Становится понятным, что славянское оружие славилось далеко за пределами Руси, а создатели этого оружия и инструментов почитались во многих случаях как сверхчеловеческие существа, как колдуны, которые одновременно со своей основной профессией выполняли еще и функции врачевателей. 
Можно обратить внимание, что в конструкциях ножей и мечей заложена идея создания самозатачивающегося инструмента. Эта идея еще раз, уже в 20-х годах нашего столетия, повторялась в сварных конструкциях инструментов, изготовлявшихся сваркой по методу А. М. Игнатьева. Искусством кузнечно-горновой сварки до сих пор многие продолжают любоваться. Знаменитая решетка Летнего сада, ограда набережных реки Фонтанки представляют собой конструкции, изготовленные кузнечно-горновой сваркой из кричного железа. Кузнечно-горновая сварка является самым древним технологическим процессом горячей обработки металла. В настоящее время этот способ сварки практического интереса не представляет.