Сварка металлов взрывом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сварка - один из ведущих технологических процессов современной промышленности, от степени развития и совершенствования которого во многом зависит уровень технологии в машиностроении, строительстве и ряде других отраслей народного хозяйства. Современная сварочная наука и техника позволяют надежно соединить детали любых толщин и конфигураций - от деталей мельчайших электронных приборов до гигантских частей машин и сооружений.

Сварка открыла возможность коренного улучшения технологии производства всевозможных машин, приборов, строительных конструкций.

Современный уровень развития сварочной техники в нашей стране - прочная база для еще более широкого и эффективного использования сварки как мощного средства значительного повышения производительности труда, экономии металлов в промышленности, строительстве, сельском хозяйстве и транспорте, повышения качества и удешевления продукции.

Дальнейшее развитие современной техники в существенной степени определяется разработкой новых материалов с особыми свойствами. Это вызвано тем, что атомной энергетике, электронике, большой химии, ракетостроению и другим отраслям производства присущи чрезвычайно высокие скорости прогрессов, большие давления, высокие температуры и некоторые особые эффекты. Важно, чтобы конструкционный материал был устойчив в этих условиях работы при быстрых сменах температур Н напряжений, незначительно испарялся в вакууме, не меняя свойств при облучении продуктами ядерного распада, противостоял действию агрессивных сред и т. д.

Современное состояние техники характеризуется возросшим применением редких металлов и сплавов и неметаллических материалов. Освоение их как конструкционных материалов и расширение областей их применения играет важнейшую роль в деле технического прогресса.

В перспективных конструкциях новой техники находят широкое применение такие тугоплавкие и редкие металлы, как вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цирконий и т. п., обладающие высокими жаростойкостью, жаропрочностью, сопротивлением коррозии и другими специфическими свойствами.

В ряде случаев эксплуатации при экстремальных температурных условиях, в чрезвычайно агрессивных средах, в потоках нейтронов высокой интенсивности и под воздействием других особых факторов даже эти металлы не могут удовлетворить требованиям, предъявляемым к изделиям условиями их работы. Вследствие этого создаются материалы, имеющие особые свойства. Кроме того, к широко применяемым материалам в ряде случаев начинают предъявлять повышенные требования в связи с использованием их в новых видах ответственных конструкций.

В связи с этим перед сварщиками возникают все новые и новые задачи разработки более совершенной технологии сварки широко применяемых и новых материалов, что требует или модернизации существующего оборудования и технологии, или разработки новых более совершенных методов сварки.

Использование в различных отраслях новой техники в качестве конструкционных материалов редких и тугоплавких металлов, которые ранее находили ограниченное применение, в основном лишь в качестве легирующих добавок, выдвинуло проблему разработки методов их сварки. Эти металлы составляют группу трудносваривающихся вследствие того, что, помимо высокой температуры плавления, они характеризуются высокой химической активностью при повышенных температурах. Большинство из них реагирует со всеми известными флюсами, а некоторые являются геттерами. Поэтому применительно к этим металлам оказались неприемлемыми такие методы сварки, как ручная дуговая сварка плавящимся электродом, сварка под флюсом и газовая.

Основным недостатком дуговых методов сварки является относительно небольшая концентрация энергии в источнике теплоты и несовершенство защиты металла от действия кислорода и азота воздуха. Вследствие этого время действия высоких температур на металл сварного соединения оказывается чрезвычайно длительным. Длительное воздействие высоких температур на металл сварного соединения при его недостаточной защите приводит к ряду нежелательных явлений: потере пластичности и антикоррозионных свойств, значительным размерам шва т вследствие этого большим затратам энергии и большим остаточным деформациям, насыщению металла шва газами и др. Эти недостатки в значительной степени могут быть устранены путем использования для сварки источников теплоты с высокой концентрацией энергии в сочетании с совершенной защитой. тугоплавкий металл сварка взрыв

В последние годы появилось несколько методов сварки металлов без их расплавления, основанных на эффекте образования металлических связей на ювенильных поверхностях с использованием пластических деформаций металла (холодная, ультразвуковая, трением, взрывом n диффузионная). Перечисленные методы сварки объединяет общность физических процессов возникновения металлических связей между соединяемыми поверхностями.

В этих процессах образование металлических связей происходит в твердом состоянии металла в результате совместной пластической деформации. Методы сварки в твердом состоянии различаются способами, которыми осуществляется пластическая деформация, величиной пластической деформации и температурным режимом.

Сварка в твердом состоянии значительно расширяет область применения сварки, позволяя соединять между собой разнородные металлы, сварка плавлением которых была невозможна, соединять неметаллические материалы с металлами и т. п.

Уже сейчас широкое применение сварка находит при изготовлении космических кораблей и ракетных двигателей, а в перспективе предстоит широкое использование сварки при завоевании космоса. Сварка будет использоваться при строительстве космических станций на околоземных орбитах, при изготовлении и сборке космических кораблей за пределами земной атмосферы, при строительстве стартовых площадок и взлетных устройств на других планетах, при освоении других миров.

В последнее время в технике все более широкое распространение находит процесс сварки с использованием энергии взрыва.

Сварка взрывом находит применение при соединении труб, приварке их к трубным сноскам теплообменных аппаратов. К готовым изделиям приваривают различную арматуру, получают заготовки деталей и переходников из разнородных металлов и сплавов.

Схема сварки металлов взрывом представлена на рис. 1. На жесткое основание 5 (земляной грунт, дерево, металл и т. п.) устанавливают одну из свариваемых пластин 4. Вторую пластину 3 помещают над первой на расстоянии h от ее поверхности. На всю поверхность пластины 3 укладывают заряд 2 взрывчатого вещества (ВВ) слоем одинаковой толщины Н. Заряд взрывают при помощи детонатора 1, находящегося в одном из концов или углов пластины 3. В качестве взрывчатого вещества используют гранулированные аммониты и гранулиты, имеющие плотность около 1,0 г/см^з и скорости детонации D порядка 3-4 тыс. метров в секунду. Заряды ВВ взрывают с помощью электродетонаторов.

Рис. 1. Схема сварки взрывом плоских параллельно расположенных элементов

После инициирования заряда ВВ детонатором 1 вдоль слоя ВВ распространяется плоская детонационная волна: Позади фронта детонационной волны образуются продукты взрыва, которые в течение очень короткого промежутка времени по инерции сохраняют прежний объем, находясь под давлением 100-200 тыс. ат, а затем со скоростью 0,5-0,75 D разлетаются в стороны по нормалям к свободным поверхностям заряда. При этом они сообщают находящемуся за фронтом детонации участку металла импульс, под действием которого его элементарные объемы последовательно с ускорением движутся к поверхности неподвижной части металла и со скоростью v соударяются с ней.

Рис. 2. Схема установившегося процесса соударения свариваемых пластин: 1 - фронт детонационной волны; 2 - фронт разлета продуктов взрыва ВВ; 3 - фронт волны разрежения; D - скорость детонации ВВ; х - скорость соударения пластин; х_к - скорость перемещения "динамического угла встречи" соударяющихся пластин в направлении сварки; д_в - толщина метаемой (верхней) пластины; д_н - толщина неподвижной пластины; H - толщина слоя ВВ

При установившемся процессе сварки метаемая пластина на некоторой длине дважды перегибается и, если соединяемые поверхности перед сваркой были установлены параллельно друг друга, ее наклонный участок со скоростью х_к, равной D, движется за фронтона детонационной волны, а участок, на котором находится непродетонированная часть заряда ВВ, под действием сил инерции останется в исходном состоянии (рис. 2). Соударение свариваемых металлов, происходящее под некоторым углом г, вызывает давление в десятки тысяч атмосфер. В местах прикосновения пластин появляется тангенциальная составляющая скорости соударения в направлении движения фронта детонационной волны, вследствие этого происходит совместное деформирование поверхностных слоев увариваемых ластов. Такое деформирование имеет характер вязкого течения и способствует тесному сближению свариваемых поверхностей.

Профиль деформированной зоны металла в образующемся сварном соединении обычно имеет волнообразный вид (рис. 3). Окисные пленки и другие поверхностные загрязнения дробятся и рассредоточиваются со слоями деформирующего металла аналогично явлению при холодной сварке и частично уносятся в виде тонкой пыли под действием кумулятивного эффекта. Исследования показали, что при сварке взрывом отсутствует зона, состоящая из смеси соединяемых металлов.

Рис. 3. Граница раздела металлов в сварных соединениях, полученных с помощью сварки взрывом; Ч 100; вверху - ниобий, внизу - медь

При сварке металлов взрывом происходит образование металлических связей по дислокационному механизму. Активация процесса образования металлических связей связана е интенсивностью совместной пластической деформации поверхностных слоев свариваемого металла, которая определяется скоростью распространения пластической деформации и ее величиной, а также величиной давления, развивающегося в зоне соударения.

Скорость пластической деформации металла в зоне соединения, протекающей вследствие перемещения имеющихся и образования новых дислокаций не может превышать скорости распространения в свариваемых металлах пластических волн сжатия с. Поэтому для создании физического контакта и таким образом реализации механизма образования металлических связей скорость перемещения вершины угла встречи соударяющихся поверхностей х_к вдоль свариваемого соединения должна быть меньше величины с. При несоблюдении этого условии металл не деформируется и сварка не происходит.

Это требование выполняется путем подбора ВВ соответствующего типа, так как D = х_к. Скорость распространения пластических волн сжатия может быть определена из выражения

где К - модуль объемного сжатия металла, кгс/см²; с - плотность металла, (кгс/см³) (с²/см).

При сварке некоторых металлов (титана со сталью, алюминия со сталью) установлено, что прочность соединения увеличивается с уменьшением скорости х_к, при этом нижний предел х_к составляет 1800-2000 м/с и определяется минимально возможной скоростью детонации ВВ.

Металл в зоне сварки подвергается неравномерному всестороннему сжатию; при этом имеется свободная поверхность в направлении процесса сварки. Чтобы в условиях сварки взрывом металл мог пластически деформироваться, давление во фронте пластической волны сжатия должно достигать определенной величины, связанной с прочностью металла (табл. 1).

Таблица 1. Минимальное давление, необходимое для сварки некоторых металлов

Величина среднего давления с, развивающегося в зоне сварки, зависит от скорости х соударения пластин и свойств металла:

где D, h, д_в обозначены на рис. 2; с_вв - плотность ВВ; с_в - плотность металла верхней (метаемой) пластины.

Экспериментальная проверка показывает, что полученные по этой формуле значения близки к действительным в случае, если величина h мала по сравнению с Н.

Рис. 4. Зависимость среднего давления с_ср, развивающегося в зоне соударения свариваемых пластин, от скорости их соударения х: ОВМ - ударная адиабата материала неподвижной пластины; НВА - то же, метаемой пластины

Величина среднего давления с при известной скорости х может быть определена с помощью ударных адиабат, построенных в координатах "с - u" (u - массовая скорость частиц металла за фронтом ударной волны). При известном значении х на адиабату металла неподвижной свариваемой части накладывают зеркальное отражение ударной адиабаты металла метаемой части, располагая ее начальное состояние в точке А с абсциссой u, равной заданной величине; ордината точки пересечения адиабат В при этом дает искомую величину с (рис. 4).

При известных технологических параметрах сварки (h, Н, D, с_вв), в размерах и свойствах свариваемых металлов д_в и с_в можно рассчитать величины х и с.

В практике для определения режимов сварки однородных или близких по физико-химическим свойствам металлов обычно достаточно ориентировочно выбрать скорость соударения х и давление с и сварить серию образцов с применением ВВ, скорость детонации D которого составляет 3000-4000 м/с. При этом от образца к образцу. уменьшают или увеличивают скорость х, изменяя зазоры h между соударяющимися поверхностями. По результатам механических испытаний находят оптимальную скорость х.

Для определения режимов сварки разнородных металлов с большим различием физико-химических свойств (титан со сталью) проводят несколько серий опытов, варьируя величиной х_к, что дает возможность определить максимальное значение у_в.

Особенности процесса сварки взрывом следующие:

1. Сварное соединение образуется в течение миллионных долей секунды, т.е. практически мгновенно. Сварное соединение возникает вследствие образования металлических связей при совместном пластическом реформировании свариваемых поверхностей металла. Малая продолжительность сварки предотвращает возникновение диффузионных процессов. Эта особенность процесса позволяет сваривать металлы, которые при обычных процессах сварки с расплавлением металлов образуют хрупкие интерметаллические соединения, делающими непригодными швы к эксплуатации.

2. При сварке взрывом можно получать соединения неограниченной площади. При этом процесс сварки осуществляется тем легче, чем больше отношение площади соединения к толщине метаемой части металла. Осуществлены соединения площадью 15-20 м².

Рис. 5. Технологические схемы сварки взрывом соединений различного типа: 1 - детонатор; 2 - заряд ВВ; 3 - метаемые пластины; 4 - неподвижная пластина; 5 - подложка; 6 - грунт; 7 - металлическая призма или конус для центрирования заготовок и направления фронта детонационной волны; 8 - облицовываемый цилиндр; 9 - метаемая труба; 10 - центрирующая шайба; 11 - трубная решетка; 12 - трубка; 13 - буферная пластмассовая цилиндрическая вставка

На рис. 5, а-д представлены технологические схемы сварки взрывом: а - сварка трех- и многослойных плоских соединений одновременно одним зарядом ВВ; б - приварка двух наружных слоев к листу взрывом из одной точки двух зарядов ВВ; в - наружная облицовка цилиндрических тел кольцевым зарядом ВВ; г - сварка биметаллических цилиндрических заготовок переменного диаметра для изготовления из разнородных металлов бесступенчатых трубных переходников; д - приварка труб к трубным решеткам теплообменников.

Сварка взрывом начинает применяться для стыковых нахлесточных соединений некоторых готовых элементов конструкций. Перспективно применение сварки взрывом для соединения армированных металлов и получение из порошков монолитных металлов и сплавов. Затруднение вызывает сварка малопластичных; хрупких металлов (чугун, высокопрочные титановые сплавы), разрушающихся при взрывном нагружении.

Подготовка изделий под сварку. Заготовки не должны иметь значительного прогиба. Допускается прогиб не более 2-3 мм на 1 м длины. Поверхности свариваемых металлов должны быть зачищены от металлического блеска, для титана и сталей аустенитного класса допускается травление свариваемых поверхностей. Непосредственно перед сваркой соединяемые поверхности обезжиривают, так как наличие следов масел препятствует образованию сварного соединения. Зазоры между плоскими свариваемыми заготовками обеспечивают с помощью проволочных штырей, для цилиндрических заготовок - использованием специально выточенных центрирующих конусов и шайб (рис. 5, в).

Для зарядов ВВ, обычно насыпных, из картона делают контейнеры заданных размеров.

Сварку осуществляют на открытых полигонах, если масса заряда достигает десятков и сотен килограммов, либо в специальных производственных помещениях в вакуумных камерах, если масса заряда ВВ не превышает нескольких килограммов. Использование вакуумных камер предотвращает разрушающее действие и даже звуковой эффект.

Сварные соединения обладают достаточно высокими свойствами; так, предел прочности соединений при срезе сталей 12X18Н 9Т и Ст3 равен 54-57 кгс/мм²; стали 12X18Н 9Т и меди М 3-16,8 кгс/мм² (164,5 МН/м²).

Рис. 6. Твердость, измеренная поперек сварных соединений: 12X18Н 9Т + сталь Ст3; Ti + Ti; Ti + Сu

Стали Рис. 7. Твердость пластин из Ст 3: 1 - после сварки; 2 - после отпуска с температуры 300° С; 3 - после отпуска с температуры 400° С

При испытаниях разрушение образцов, как правило, происходило по наименее прочному металлу пары на некотором расстоянии от плоскости соединения. Измерением микротвердости сварных соединений выявлено упрочнение зон соединения шириной 10-100 мкм (рис. 6).

Наиболее твердую околошовную зону (HV700) имело соединение при толщине пластин 1,5 мм из Ст3. после термообработки (отпуск с 300 и 400° С) твердость понизилась соответственно до HV420 и HV260 (рис. 7).

Металлографическое исследование полученных соединений показало, что упрочненные зоны образуются вследствие высокой степени деформации тонких поверхностных слоев свариваемых пластин. Упрочненная зона между пластинами из Ст3 имеет области с мартенситообразной игольчатой структурой. После термообработки (закалки в воду с 900° С) твердость тонких образцов из Ст3 в состоянии после проката повысилась с НV380 до HV470.

При металлографическом исследовании структур соединений обнаружены следующие особенности строения микроструктуры.

В соединении между сваренными материалами отсутствуют окисные пленки и другие неметаллические включения, обычно затрудняющие сварку металлов в твердой фазе. Это связано с уносом загрязнений с поверхностей пластин кумулятивной струей.

Граница соединений вдоль пластин представляет собой волнистую линию, а поперек пластин - почти прямую. Плоские поверхности пластин превращаются в волнистые под действием тангенциальной составляющей скорости в точках соприкосновения пластин при соударении.

Малая продолжительность процесса сварки, которая длится микросекунды, даже при некотором повышении температуры поверхностных слоев металла, вызванном соударением и деформацией пластин, явно недостаточна для протекания диффузионных процессов. Вследствие этого в соединениях между разнородными металлами (Сu + Ti; Fe + Аl; Fe + Сu) отсутствуют интерметаллические составляющие. Таким образом, сварка взрывом позволяет получать сварные соединения в твердой фазе без образования промежуточных химических составляющих между разнородными металлами и сплавами.

Разработка процесса сварки взрывом находится в начальной стадии и поэтому трудно определить области применения этого метода в будущем. Сварку взрывом используют при изготовлении заготовок для проката биметалла, при плакировке поверхностей конструкционных сталей металлами и сплавами с особыми физическими и химическими свойствами, а также при сварке заготовок и некоторых деталей из разнородных металлов. Перспективным представляется сочетание сварки взрывом со штамповкой и ковкой.

Размещено на Allbest.ru