зварювання вибухом

1. Параметри режиму зварювання
2. Особливості мікронеоднорідності зварних з'єднань
3. Вплив вихідного стану зварювальних матеріалів
4. Вибухові речовини для зварювання
5. Області застосування

види зварювання - Сварка вибухом

Перші випадки зварювання металів вибухом були зафіксовані в 1944 - 1946 рр. М.А. Лавретьевим з співробітниками в Інституті математики АН УРСР при проведенні експериментів з кумулятивними зарядами. Однак пройшло ще близько десяти років, поки з'явилися необхідні передумови для створення способу зварювання металів за допомогою енергії вибуху. У 50-і рр. ХХ ст. було досягнуто значного прогресу в застосуванні енергії вибуху для штампування, пресування і зміцнення металів. Це сприяло пошуку нових областей застосування енергії вибуху в металообробці. Найбільш інтенсивно ці роботи почали проводитися в США і СРСР.

Перші повідомлення про з'єднання металевих деталей за допомогою енергії вибуху були опубліковані американськими інженерами в кінці 50-х - початку 60-х рр. минулого століття. Спочатку отримували з'єднання листів при їх штампуванні вибухом. Природно, що в цьому випадку відбувалися нормальні зіткнення шорсткуватих тел. Як показали подальші експерименти, ця схема виявилася неефективною і не знайшла практичного застосування. У ці ж роки інженери американської фірми «Дюпон Де Немур» в результаті досліджень косих зіткнень пластин, метан плоским зарядом ВВ, розробили досить досконалу технологію зварювання вибухом, яка була запатентована і опублікована в 1964 р У 1961 р «кутова схема» зварювання вибухом була створена вченими Інституту гідродинаміки СО АН СРСР В.С. Сєдих, А.А. Дерибас, Є.І. Бігенковим і Ю.А. Тришин.

Зварювання вибухом по виду вводиться енергії відноситься до групи механічних процесів з'єднання металів. При ній хімічна енергія перетворення заряду вибухової речовини (ВВ) в газоподібні продукти вибуху трансформується в механічну енергію їх розширення, повідомляючи однією з зварювальних частин велику швидкість переміщення. Кінетична енергія зіткнення рухається частини з поверхнею нерухомої частини витрачається на роботу спільної пластичної деформації контактуючих шарів металу, що приводить до утворення зварного з'єднання. Робота пластичної деформації переходить в тепло, яке внаслідок адіабатичного характеру процесу через великих швидкостей може розігрівати метал в зоні з'єднання до високих температур (аж до оплавлення локальних обсягів).

Принципова схема зварювання вибухом показана на рис. 7. На підставі 1 (земляний грунт, дерево, метал і т. П.) Розташована одна з деталей, що зварюються 2 (в найпростішому випадку пластина), над нею паралельно з певним зазором h розташована друга деталь 3 на технологічних опорах 4. На її зовнішньої поверхні знаходиться заряд ВВ 5 заданої висоти Н і площі, як правило, дорівнює площі пластини 3 (найбільш широко застосовуються для зварювання вибухом насипні ВВ поміщаються у відкритому контейнері відповідних розмірів). В одному з кінців заряду вибухової речовини знаходиться детонатор 6.

При ініціюванні заряду ВВ по ньому поширюється фронт детонаційної хвилі зі швидкістю D, що лежить для існуючих ВВ в межах 2000-8000 м / с, що визначається їх хімічним складом і фізичним станом. Утворені позаду нього газоподібні продукти вибуху протягом короткого часу за інерцією зберігають колишній обсяг ВВ, перебуваючи в ньому під тиском 100-200 тис, ат, а потім зі швидкістю 0,50-0,75 D розширюються по нормалям до вільних поверхонь заряду, повідомляючи що знаходиться під ними ділянці металу імпульс, під дією якого обсяги вироби послідовно залучаються до прискорений рух до поверхні нерухомої частини металу і зі швидкістю θc соударяются з нею. При сталому про; процесі метану пластина на деякій довжині двічі перегинається, її похила ділянка зі швидкістю θk = D рухається за фронтом детонаційної хвилі, а ділянку перед її фронтом з непродетоніровавшей частиною заряду вибухової речовини під дією сил інерції продовжує займати вихідне положення (рис. 8).

Високошвидкісне зіткнення метану частини металу з нерухомою розвиває в околицях рухається вершини кута γ зустрічі їх контактуючих поверхонь тиску 102 - 103 кбар. Викликаного їм всебічне нерівномірне стиснення з найбільш сприятливими умовами для пластичної течії в напрямку процесу зварювання завдяки наявності вільної поверхні перед вершиною утла γ і виникненню тангенціальної складової швидкості θc змусить метал поверхневих шарів обох соударяющихся частин спільно деформуватися в цьому ж напрямку зі швидкістю θk. що призводить до тісного зближення зварювальних частин. При цьому процесі окисні плівки та інші поверхневі забруднення дробляться, розосереджуються, а також виносяться з вершини кута у під дією кумулятивного ефекту.

Таким чином, реалізується відома здатність металів утворювати міцні металеві зв'язку в твердій фазі при створенні між сполучаються поверхнями фізичного контакту і умов для електронного (хімічного) взаємодії між ними. Вимагається для другої стадії процесу енергія активації забезпечується за рахунок роботи пластичної деформації і викликаний нею нагріву. Об'ємна дифузія через швидкоплинність процесу, навіть не дивлячись на нагрів, розвиватися не встигає, що дозволяє широко застосовувати зварювання вибухом для з'єднання різнорідних металів і сплавів - межа розділу металів зазвичай різко виражена і має вигляд регулярних синусоїдальних хвиль (рис. 9).

Параметри режиму зварювання

Динамічними параметрами процесу зварювання вибухом є швидкість зіткнення контактуючих поверхонь θc; швидкість руху вершини кута зустрічі контактуючих поверхонь уздовж з'єднання θk; кінетична енергія зіткнення зварювальних частин W (віднесена для зручності до одиниці площі з'єднання).

При зіткненні зварювальних частин по ним поширюється система ударних хвиль - пружною та наступної за нею пластичної, остання з яких виникає при розвитку в околицях вершини кута γ певного динамічного тиску р і призводить до спільної пластичної деформації контактуючих шарів металу.

Особливості мікронеоднорідності зварних з'єднань

Фізична і хімічна мікронеоднорідних, що є спільною рисою всіх зварних з'єднань через місцевого застосування енергії при зварюванні вибухом розділяється на 10 основних видів, обумовлених характером і параметрами цього процесу, властивостями і поєднаннями матеріалів, що з'єднуються.

Фізична мікронеоднорідних:
не виявляються засобами оптичної металографії ділянки кордону розділу металів з низькою, яка доходить до 0 міцністю, що утворюються при недостатніх величинах θc і W, мабуть, внаслідок недостатнього розвитку пластичної деформації, що забезпечує створення тільки фізичного контакту;
ділянки мартенсітноі структури на кордоні розділу вуглецевої і легованої сталі, іноді утворюються через надмірне локального виділення тепла пластичної деформації при розвитку се нерівномірності за профілем хвиль і швидкого відводу тепла в прилегла холодний метал (рис. 12);

підвищують міцність з'єднань шари металу біля кордону розділу, зміцнені пластичною деформацією, ширина і твердість яких зростає зі збільшенням W (рис. 13);

ділянки рекрісталлізованной структури поблизу кордону розділу металів або оплавлених ділянок, які утворюються під дією тепла пластіческойдеформаціі або тепла, що виділяється при кристалізації оплавленого металу (рис. 15).

Хімічна мікронеоднорідних:
локальні ділянки оплавленого металу трьох видів, що утворюються в з'єднаннях різнорідних металів з властивостями, зумовленими їх поєднаннями: складаються з твердих розчинів, що володіють безперервної взаємної розчинність, практично не впливають (а іноді і підвищують) на міцність з'єднань, якщо вони не містять кристалізаційних дефектів; що складаються з інтерметалевих з'єднань і евтектики в композиціях з обмеженою розчинністю (наприклад, титан - сталь), практично не беруть участі в роботі з'єднань і лінійно знижують їх міцність з ростом відносної протяжності (рис. 16);

що складаються з дрібнодіспергіроване частинок обох зварених металів в композиціях, які не взаємодіють в рівноважному стані (наприклад, срібло - сталь), (див. рис. 15); прилеглі до кордону розділу металів шари з однофазної структурою в з'єднаннях двофазних сплавів з другою фазою, упрочняющей кордону твердого розчину; при цьому друга фаза накопичується на зовнішніх кордонах однофазних шарів. Механізм утворення цієї неоднорідності вимагає спеціального вивчення.

На закінчення необхідно відзначити відсутність на кордонах розділу різнорідних металів дифузійних зон або перемішування (в з'єднаннях без оплавлених ділянок), які не виявляються електронної мікроскопії і локальним рентгеноспектральним аналізом, що дозволяє за допомогою зварювання вибухом отримувати міцні з'єднання між різнорідними металами і сплавами.

Вплив вихідного стану зварювальних матеріалів

Підвищення вихідної твердості обох або одного з металів, що зварюються при незмінних параметрах процесу викликає зменшення довжини і амплітуди хвиль на межі розділу металів і збільшення відносної протяжності оплавлених ділянок. При зварюванні однорідних матеріалів це майже не позначається на міцності зварних з'єднань, при зварюванні різнорідних - є умовою, що обмежує отримання равнопрочних з'єднань.

До чистоті механічної обробки контактуючих поверхонь пред'являється таку вимогу: крок між зубцями характерного для механічної обробки пилообразного профілю не повинен перевищувати довжини хвиль, зафіксованих на кордоні розділу металів при обраних (оптимальних) умовах зварювання даних матеріалів з гладкими (шліфованими або прокатати) поверхнями. В іншому випадку довжина хвиль примусово повторює крок між зубцями механічної обробки з утворенням завихрень, а в них - відповідних видів мікронеоднородності.Обязательнимі є зачистка до металевого блиску і знежирення.

Вибухові речовини для зварювання

Найбільш вживаними є насипні ВВ, так як вони дозволяють легко створювати заряди необхідних форм і розмірів.

Через значної різниці швидкостей детонації доцільно для кожної партії ВВ визначати її дослідним шляхом.

Області застосування

Перспективи і області застосування зварювання вибухом визначаються здатністю створювати в твердій фазі міцні з'єднання за рахунок поверхневих металевих зв'язків без розвитку об'ємної дифузії внаслідок швидкоплинності процесу на великих, практично необмежених площах (є приклади зварювання з'єднань площею 15-20 м2). Це дозволяє застосовувати зварювання вибухом для: виготовлення композиційних сутунок і слябів з високоміцним з'єднанням шарів з різнорідних металів, сплавів і сталей для прокатки в дво- і багатошарові листи;

безпосереднього виготовлення біметалевих листів металів і сплавів в будь-яких поєднаннях;

виготовлення суцільних і порожнистих циліндричних композиційних заготовок для профільного прокату і безпосереднього використання в деталях машин;

безпосереднього облицювання заготовок деталей машин (наприклад, лопатей гідротурбін) металами і сплавами;

виготовлення з різнорідних металів і сплавів плоских композиційних карток з високоміцним з'єднанням шарів, вирізки з них поперек шарів перехідників необхідної конфігурації (смуг, кілець, фланців і т. п.) і вварки їх звичайними способами між деталями з однойменних матеріалів; в цьому випадку відкриваються широкі можливості для створення композицій з проміжними шарами, що грають при нагревах роль дифузійних бар'єрів між основними, і для підвищення міцності і працездатності таких перехідників за допомогою контактного зміцнення проміжних шарів при зменшенні їх відносної товщини в необмежених межах;

виготовлення у вигляді плоских листів і циліндричних обичайок волокнистих композиційних матеріалів з необмеженим числом шарів матриці і волокон;

виготовлення деяких типів зварних з'єднань між елементами конструкцій з однорідних і різнорідних матеріалів (наприклад, труб з трубними дошками);

нанесення порошкових покриттів на металеві поверхні.

джерело: Миколаїв Г.А. "Зварювання в машинобудуванні. Довідник. Т.1"

Див. також: