Сварка взрывом

 

Введение

Сварка взрывом относится к разновидности сварки давлением, и представляет собой процесс образования соединения соударяющихся металлических тел, разгоняемых продуктами детонации взрывчатого вещества. 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. 1. 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. 1. Угловая схема сварки взрывом до начала (а) и на стадии взрыва (б)

1.Достоинства сварки

Достоинства сварки взрывом, которые характеризуют ее как конкурентоспособный способ соединения разнородных металлов, заключаются в следующем: Высокопроизводительный и экономичный процесс, позволяющий получать соединения разнородных металлов и сплавов с прочностью на уровне прочности основных металлов (сталь + титан, сталь + алюминий, алюминий + медь и т.д.).

Сварка взрывом может осуществляться на больших площадях, ограничиваемых только размерами используемых листов.

Толщина плакирующего слоя может изменяться в широких пределах (от 0,05 до 30 мм).

2.Схема сварки взрывом

На опоре 5  располагают основную пластину 4, над которой с определенным зазором h устанавливают метаемую пластину 3. На метаемый слой укладывают заряд взрывчатого вещества высотой Н - 2 и закрепляют детонатор 1.

При инициировании ВВ по заряду распространяется детонационная волна со скоростью детонации D. Под действием высокого давления расширяющихся продуктов взрыва 6 отдельные участки метаемой пластины последовательно приобретают скорость порядка нескольких сотен метров в секунду, поворачиваются относительно своего первоначального положения исоударяются со скоростью V_c с неподвижной пластиной. В результате косого соударения пластин при правильно выбранных параметрах процесса в зоне контакта происходят частичная очистка соединяемых поверхностей, их активация и образование соединения со скоростью V_к с характерной волнообразной границей раздела слоев.

Рисунок 2.Схема сварки взрывом.

 

3.Технико-экономические преимущества

Сварка взрывом, являясь  по сути «холодной сваркой», позволяет  соединять между собой металлы с различными физико-механическими характеристиками, например, легкоплавкие металлы и сплавы со сталью и другими тугоплавкими материалами, чего трудно достичь другими методами. При этом, сварку взрывом можно использовать как первоначальный этап по производству биметаллических материалов, производя в дальнейшем  прокатку биметаллических заготовок до необходимых размеров.

Рулонный способ в сравнении  с традиционной сваркой взрывом  в десятки раз повышает производительность технологического процесса и может быть использован в автоматизированных производственных процессах с дальнейшей прокаткой, штамповкой и другими способами обработки. 2

Области применения Черная и цветная металлургия, машиностроение.

Использование биметалла  сталь-медь в изготовлении деталей  рудотермических печей позволяет существенно увеличить срок службы последних, повышает надежность оборудования. Применение биметаллов сталь-медь, сталь-цирконий и др. для изготовления изложниц повышает надежность и срок службы оборудования. Возможность соединения сваркой взрывом сталь-алюминиевые сплавы используют при производстве электродов в алюминиевой промышленности, а замена баббитов в тяжелонагруженных подшипниках скольжения дизельных двигателей на подшипники скольжения сталь – сплав АО20 позволяет увеличить срок службы и затраты на изготовлении.

4.Технология сварки взрывом

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 ).

Рис.3 . Общий вид камеры для сварки взрывом

После инициирования взрыва детонация распространяется по заряду 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 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. 4). При плакировании стержней трубу 1 (рис. 5 а) устанавливают с зазором на стержень 2. Внутреннюю поверхность трубы и наружную поверхность стержня механически обрабатывают и обезжиривают.

Рис. 4. 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. 5, 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. 5. Схема плакирования взрывом стержня (а) и внутренней поверхности трубы (б)

5.Физические явления

Физические явления, сопутствующие сварке взрывом, зависят от величины основных параметров высокоскоростного соударения. К ним относятся: 
1) кинематические параметры: скорость метаемой пластины V0, угол соударения γ, скорость точки контакта Vк; 
2) физические параметры: давление, длительность соударения, температура и т.п. 
Для получения соединения при сварке взрывом необходимо выполнение

двух условий: 
-давление при соударении должно достичь определенной величины; 
-скорость перемещения точки соударения должна быть меньше скорости звука. 
Давление при соударении зависит от скорости движения пластины, а равновесная скорость движения пластины от соотношения с/m, где с — масса заряда, m — ускоряемая масса. Скорость перемещения точки соударения не должна превышать скорости звука в металле по следующим причинам. Когда две пластины первоначально параллельны, и детонация распространяется с одного конца, скорость перемещения точки соударения равна скорости детонации заряда. Скорость ударной волны приближается к скорости звука в материале пластины (например, в алюминии — 5240 м/с, в меди — 3580 м/с). Если скорость детонации больше скорости звука, то отраженная звуковая волна может разрушить только что созданное сварное соединение. Поэтому подбирают такое взрывчатое вещество (ВВ) (аммониты, гранулиты, зерногранулиты), чтобы скорость детонации была от 2500 до 3600 м/с, тогда отраженная звуковая волна ударяется о свариваемую плоскость раньше, чем давление взрыва ударом соединит верхнюю пластину с нижней. Большинство технологических схем сварки взрывом основано на использовании направленного (кумулятивного) взрыва. Кумулятивность осуществляется тем, что свариваемые детали располагаются под некоторым углом α = 2–16° с начальным расстоянием друг от друга в вершине угла h = 2–3 мм. 
Следует учесть, что воздушная кумулятивная струя во всех случаях движется с большей скоростью, чем звуковая и детонационная. Эта струя, направленная из острия угла α в сторону его раствора, обладает давлением порядка 1011 Па (от нескольких сот до миллиона атмосфер). Благодаря такому огромному давлению и весьма большой скорости (6000–7000 м/с) высокотемпературная кумулятивная струя производит прежде всего идеальную очистку поверхности пластин от любого вида загрязнений.

 

Вывод

Сварка взрывом — метод сварки на основе использования энергии взрыва; разновидность обработки металлов взрывом.

При сварке взрывом привариваемая (метаемая) деталь располагается под углом к неподвижной детали-мишени (основанию) или параллельно ей (в большинстве случаев) и приводится в движение контролируемым взрывом, в результате чего с большой скоростью соударяется с ней; соединение образуется за счет совместной пластической деформации поверхностей.

Сварка взрывом применяется  для соединения деталей из разнородных  металлов, в частности для плакирования.