Сварка взрывом. 2

Содержание

Введение                                                                                                    6

1 Сущность метода и основные области применения                         10

2 Технология сварки взрывом и технологические возможности метода                                                                                                            16

3 Технологические  схемы сварки и технологии  изготовления плакированных плит  взрывом, штамповка взрывом                                 23

Заключение                                                                                          30

Список литературы                                                                             33

Реферат

Курсовой проект 33 страниц, 8 рисунков, 1 таблицы, 20 источников.

Ключевые слова: сварка взрывом, штамповка взрывам, биметаллы, плакированный металл, плакирование взрывом, пластическая деформация, сварное  соединение, взрывчатое вещество канальный эффект, фрагментация, вихревая структура.

Объектом исследования является сварка взрывом, ее области  применения, технологические схемы  сварки.

Цель работы – изучение технологии сварки взрывом, области ее применения, оборудование применяемое при сварке а так  же перспективы развития сварки взрывом.

Выпускная квалификационная работа  выполнена  в  текстовом редакторе Мicrosoft Word 7.0 и представлена на дискете 3,5" (в конверте на обороте  обложки).

Введение

Динамическое  развитие и прогресс многих отраслей промышленности напрямую связаны с  созданием новых материалов, сочетающих в себе высокие технико–эксплуатационные свойства с хорошей технологичностью их изготовления и низкой себестоимости производства [10, стр 4]

Истрия  открытия сварки взрывом. История открытия сварки взрывом интересна и поучительна. Схватывание тел при соударении с большими скоростями наблюдали давно. Еще в годы Первой мировой войны имелись свидетельства о «прилипании» снарядов к металлическим преградам. Одной из первых известных научному сообществу работ, в которых описывалось явление сварки двух латунных дисков под действием детонации взрывчатого вещества, была статья Л.Р. Карла, опубликованная в США в 1944г. В 1944 – 1946 гг. в СССР при изучении кумулятивного эффекта группа исследователей под руководством академика М.А. Лаврентьева было получено монолитное соединение двух собранных соосно и обжатых наружным зарядом взрывчатого вещества металлических конусов. На поверхности соединения наблюдались характерные для сварки взрывом волны. К сожалению, эти работы по разным причинам не получили тогда своего дальнейшего развития. Да и промышленность того времени еще не была готова к использованию уникальных возможностей нового вида сварки – получению биметаллических и многослойных композиционных материалов.

Второе «рождение» сварки взрывом, теперь уже совсем не случайное, совпало с бурным развитием новых отраслей промышленности и, в первую очередь, космической, атомной энергетики, химической, которые остро нуждались в высококачественных биметаллических и многослойных материалах, сочетающих в себе высокую удельную прочность, технологичность изготовления и достаточно низкую стоимость. В 1958 – 1959 гг. сообщения о сварке взрывов практически одновременно делают Д. Пирсон и В. Филипчук с соавторами. В. Филипчук утверждал, что наблюдал частичную приварку листов к металлической матрице при штамповке взрывом еще в 1957 г. Однако предложенная и запатентованная им схема сварки путем подрыва взрывчатого вещества, погруженного в емкость с водой, установленную над свариваемыми пластинами, оказалась на практике не пригодной. Примерно в то же время исследования по сварке взрывом начались в концерне «Дюпон де Немур» (США), а позднее, в 1961 г., и в Стэндфордском исследовательском институте (США).

Работы по сварке взрывам в СССР начались в 1961 г. в  Институте гидродинамики СО АН СССР (Новосибирск). Группой исследователей в составе В.С. Седых, А.А. Деребаса, Е.И. Биченкова, Ю.А. Тришина, руководимой академиков М.А. Лаврентьевым, были выполнены первые опыты, в которых удалось получить качественные сварные соединения. В статье авторы высказали предположения о возможной природе образования соединения. В.С. Седых, а также профессор П.О. Пашков, уже работая с 1962 г. в Волгоградском политехническом институте, заложили основы научной школы по металлообработки взрывом. Начались широкие исследования нового и перспективного технологического процесса. Позднее изучение сварки взрывам продолжилось и активно развивалось научными коллективами Института электросварки имени Е.О. Патона, Белорусского политехнического института, Алтайского НИИ технологии машиностроения, Московского института стали и сплавов.

В первых научных  публикациях можно было встретить  высказывания об исключительности и  даже уникальности нового способа соединения металлов, не вписывающегося из – за своей внешней экзотичности в ряд известных способов сварки в соответствии с существующей классификацией. Однако многочисленными исследованиями большой группы ученых и специалистов из различных мировых научных центров было доказано, что процесс сварки взрывом не является каким – то особым, отдельно стоящим способом, а относится к твердофазным, бездиффузионным способам сварки давлением, в грубом упрощении родственным к сварке ковкой – древнейшим способом соединения металлов. Различия заключаются лишь в значениях давления и скоростей протекания деформационных процессов в зоне контакта металлов, а следовательно, и в механизмах их реализации.

Сварка взрывом, в силу присущей ей особенностей является одним из самых эффективных, а  в ряде случаев единственно возможным  путем создания высококачественных биметаллических и многослойных композиционных материалов. Внешне простой, а по своей физической сущности очень сложный, затрагивающий многие фундаментальные разделы наук о материалах, газо – и гидродинамики, физики прочности и др., процесс сварки взрывом крайне быстротечен и своеобразен и, на первый взгляд, мало похож на другие способы соединения металлов.

Высокоскоростное  соударение тел при сварке взрывом  сопровождается рядом замечательных  эффектов: явлением волнообразования, кумуляции и схватывания тел. При этом в зоне соударения протекают интенсивные узколокализованные пластические деформации обычно в виде волн, фиксируемых на границе раздела металлов. Соединение тел происходит без расплавления металла, диффузионных процессов, а получаемые соединения отличаются исключительно высокой прочностью, даже при сварке металлургически не совместимых материалов. С помощью сварки взрывом впервые стало возможным получать равнопрочные соединения титана со сталью, циркония со сталью и других композиций на практически не ограниченных площадях.

Под термином «сварка  взрывом» принято подразумевать  явление прочного соединения соударяющихся  под некоторым углом поверхностей металлических тел, по крайней мере одного из которых разгоняется до скоростей 150…1000 м/с продуктами детонации взрывчатого вещества. При этом следует отметить, что собственно взрыв, а точнее энергия расширяющихся продуктов детонации, в данном процессе играет всего лишь вспомогательную роль, обеспечивающую ускоренное перемещение тел относительно друг друга и их соударение.

Физическая  природа источников такого ускорения  тел может быть самой разнообразной: электромагнитное поле (при магнитно – импульсной сварке), энергия порохового зарядов орудийном стволе, энергия  взрыва электрического проводника при пропускании через него тока и даже энергия выстрела монтажного пистолета, способна обеспечить точечную сварку. Но во всех случаях суть протекающих при высокоскоростном соударении процессов и явлений в твердых телах остается не именной.

1 Сущность метода и основные области применения.

Сварка взрывом - метод соединения материалов давлением, использующий энергию разложения взрывчатого вещества. Под воздействием продукта разложения взрывчатого вещества заготовки с большими скоростями соударяются. Между свариваемыми поверхностями создается подобие кумулятивной струи, уносящей с них загрязнения, а высокие сжимающие давления обеспечивают физический контакт и возникновение металлических сил связи в результате пластического деформирования и активации атомов в приповерхностных полях [1, стр 490].

При сварке по одной  из основных схем, получившей название угловой, не подвижную пластину и метаемую пластину  располагают под некоторым углом α по отношению к друг другу так, что их краях, обращенные к вершине угла, образуют зазор h. Взрывчатое вещество  укладывается ровным слоем на поверхность метаемой пластины. Взрыв инициируют детонатором, при подрыве которого вдоль слоя взрывчатого вещества распространяется плоская детонационная волна с постоянной скоростью, исчисляемой несколькими тысячами метров в секунду. С такой же скоростью перемещается область с высоким давлением продуктов разложения взрывчатого вещества, значения которого в начальный момент могут достигать нескольких атмосфер. Давление за фронтом снимается волнами разрежения, распространяющимися во все стороны и во все стороны и сообщающимися во все стороны и сообщающими каждому элементарному объёму метаемой заготовки импульс силы, направленной по нормали к ее начальному положению. Под давлением продуктов детонации эти элементарные объемы получают ускорение.

Часть же пластины, находящейся впереди фронта, в  силу инерции сохраняет свое первоначальное положение. Движение части пластины вызывает ее деформацию (перегиб) вблизи фронта. При соударении со второй заготовкой наблюдается второй перегиб. Образующийся между свариваемыми поверхностями угол γ=α+β зависит от соотношения значений скоростей детонации D и движения пластины V_o.

В точке (линии) соударения возникают огромные контактные напряжения, значительно превосходящие предел текучести свариваемого материала при статическом нагружении. Эти напряжения вызывают пластическое деформирование поверхностных слоев соединяемых заготовок. Наличие тангенциальной составляющей скорости V_k приводит к сдвиговым перемещениям в зоне соударения, составляющим доли миллиметра.

Таким образом, при соударении заготовок создаются  условия для очистки поверхности, активации атомов в приповерхностных слоях и образования физического  контакта за счет пластической деформации. Сварки проводится на опоре (металл, песок).

В большинстве  случаев сварки наблюдается волнообразность  зоны соединения, по-видимому, неустойчивостью  кумулятивной струи. Микро рентгеновский  анализ зоны сварки говорит о без  диффузионном ее характере. Под воздействием высоких давлений и резкой локализации повышения температуры в зоне сварки может наблюдаться появление новых фаз. В близи границ раздела имеет место неширокая (10…100 мкм) зона наклепанного металла. Поверхностный слой метаемой заготовки, испытывающий непосредственное воздействие продуктов детонации, также подвергается наклепу. Неравномерная деформация заготовок приводит к появлению остаточных напряжений. Волнообразный характер границ, наклеп металла и механическое перемешивание способствуют повышению прочности соединения.

Получение композиционных материалов с использованием энергии  взрывчатых веществ позволяет расширить  возможности создания новых материалов, сочетающих высокие технико-эксплуатационные свойства, технологичность изготовления и низкую себестоимость производства [ 2, стр 42].

Разработан  способ взрывного компактирования  порошковых материалов, при котором  порошковый материал располагают в  зазоре между трубными заготовками  или трубной заготовкой и сердечником, снаружи  располагают заряд взрывчатого вещества, в результате детонации которого получают композиционный материал в виде цилиндра или трубки, состоящей, как правило, из трех слоев: наружного и внутреннего слоев из материала исходных заготовок и промежуточного из скомпактированного взрывом порошка.

В отечественном  машиностроении накоплен значительный опыт плакирования, получения биметаллических заготовок и деталей. В частности освоено плакирование листов толщиной 70…100 мм, площадью 10..20 м² для сосудов давления ответственного назначения. Есть опыт получения в промышленном масштабе сваркой взрывом деталей узлов трения, сталеалюминевых штырей электролизеров алюминия, биметалла сталь-медь, трехслойных заготовок с габаритными размерами 4200×1200×125 мм и толщиной плакирующих листов коррозионностойкой стали, равной 12,5 мм. Сварка взрывом широко используется для получения слоистых заготовок с последующей прокаткой [3 стр 49].

За 50 лет были разработаны способы получения  сваркой взрывом микроточечных  соединений для электроники, стыковых соединений труб для газовой промышленности, соединение труб с трубными дисками для энергетики, все виды точечных соединений, в том числе и нахлесточные стыковые швы для металлических бритвенных лезвий. Исключением стало изготовление плакированных плит и переходников из разнородных металлов.

Патентуется способ изготовления с внутренними полостями (теплообменники, химического оборудования). Центральный полостеобразующий  элемент, удаляемый после сварки взрывом, выполняют из хрупкого материала, дробящегося в процессе взрывного воздействия. Сварку взрывом осуществляют при заданных скоростях детонации взрывчатого вещества и скорости соударения трубчатой оболочки с полостеобразующими элементами. В качестве хрупкого элемента используют стекло. Способ обеспечивает получение цельносварного изделия с внутренними полостями без нарушения осевой симметрии и герметичности, с пониженным термическим сопротивлением металлических слоев, при этом обеспечивается снижение обмена теплообмена веществ, находящихся во внутренних каналах изделия, с окружающей средой и высокая стойкость в агрессивных окружающих средах [19, стр 10].

Сварка взрывом  идеально подходит для выполнения плоских  соединений на больших площадях между  металлическими плитами или листами. Размера плакированных плит (длинна и ширина) ограничивается в основном размером поставляемых заготовок, а не техническими возможностями сварки взрывом.

На сегодня  около 80% мировой продукции, полученной с применением сварки взрывом, составляют плакированные плиты, применяемые  главным образом для изготовления коррозионно- и износостойкого оборудования (рис 2).

Рисунок 2 Плакированные взрывом плиты титан (10 мм) + сталь (117 мм) размером 2200×8000 мм.

Около 10% продукции  – это биметаллические переходники, широко используемые в промышленности при выполнении разнородных соединений (рис 3), например, алюминия со сталью. Диапазон изделий этого типа составляет от бронированных мишеней до мишеней ионного распыления и электронных монтажных плат.

Рисунок 3 Сварные переходники из разнородных металлов.

Сварка взрывом  является высокоуневирсальной технологией, которая может использоваться для  соединения промышленных металлов почти  в любом состоянии, приемлема  также для соединений как одно-, так и разнородных металлов. Последнее  стало важным стимулом для промышленного развития этой технологии. В настоящее время с помощью сварки взрывом получают надежные соединения алюминия и титана со сталью. Качественное соединение этих металлов достигнуто благодаря отсутствию значительного нагрева, поскольку при сварке взрывом нет временно-температурных условий, необходимых для диффузии и формирования хрупких интерметаллидов.

В настоящее  время основное применение сварки взрывом  – изготовление крупных плоских  плакированных плит с различным  сочетанием материалов (таб 1). Плиты,  плакированные взрывом, могут легко деформироваться в цилиндрические заготовки и днища при изготовлении промышленного оборудования (реакторы, колонны, компоненты теплообменников).

Таблица 1- тепичные сочетания материалов в биметаллах, полученных сваркой взрывом

2 Технология сварки взрывом и технологические возможности метода

Сваркой взрывом освоена  достаточно широкая номенклатура материалов как в однородном, так и в  разнородных сочетаниях: инструментальные стали, медь, алюминий, титан и сплавы на их основе, ванадий, ниобий, серебро, молибден, вольфрам, цирконий, магний, цинк и др. Наибольший интерес представляет соединение разнородных материалов. Метод позволяет получать двух- и многослойные соединения, композиционные материалы [1 стр 494].

Накопленный к настоящему времени обширный материал свидетельствует  о том, что в процессе высокоскоростного  соударения металлических пластин  затрачиваемая на пластическую деформацию приконтактных объемов металла энергия определяется совокупным действием трех основных параметров: температуры, давления и времени, в течении которого металл пластически деформируется. Эти параметра тесно взаимосвязаны между собой и, в конечном итоге, обуславливают прочность сформировавшегося в твердой фазе соединения [4 стр 6].

Основным типом соединения является нахлесточные, выполняемое по плоскости, цилиндрическим и криволинейным поверхностям. Принципиальных ограничений по площади заготовок нет. Соотношение свариваемых толщин могут колебаться в широких пределах. Максимальная толщина неподвижной заготовки не лимитируется. Толщина метаемой заготовки обычно лежит в диапазоне 0,3…19 мм. Максимальная ее толщина определяется пластичностью материала. Минимальная толщина метаемой заготовки ограничивается нарушением устойчивости процесса детонации взрывчатого вещества при уменьшении толщины заряда ниже определенного значения. Получаемые сварные соединения равнопрочны основному металлу. В них отсутствуют какие - либо загрязнения. Неравномерная деформация приводит к возникновению значительных остаточных напряжений, которые могу быть устранены последующей термической обработкой.

Этим методом можно  соединять детали в труднодоступных  для сварочных аппаратов зонах, в различных пространственных положениях, во внутренних полостях изделий и при необходимости сварки одновременно в нескольких местах. Удается получать изделия с внутренними полостями и каналами, предварительно созданными на не подвижной заготовке и заполненными любым легко удаляющимся веществом (воск, парафин, парафин, свинец). Производительность метода высока и определяется, по существу, только затратами времени на подготовительные операции. При внедрении метода не требуется больших единовременных затрат.

Однако надо иметь в  виду необходимость строгого соблюдения техники безопасности при работе с взрывчатым веществом. При использовании навесок взрывчатого вещества больше нескольких килограммов сварку приходится вести на полигоне. Требуется защита персонала от звуковой волны. При сварке в помещении нужна вентиляция для удаления вредных газов.

Технология сварки. Номенклатура операций при изготовлении изделий методом сварки взрывом включает в себя: механическую обработку соединяемых поверхностей; травление заготовок (с последующей мойкой и сушкой); обезжиривание свариваемых поверхностей; сборку заготовок, укладку взрывчатого вещества и установку детонатора; производство взрыва (собственно сварка); термическую обработку и правку.

Подготовка  к сварке. Качество сварки взрывом определяется в первую очередь процессами, происходящими впереди точки контакта, - очисткой и активацией соединяемых поверхностей. Поэтому для достижения прочного соединения в начале процесса сварки взрывом, исключения образования начальных непроваров и участков с пониженной прочностью необходимо обеспечить требуемые параметры ударно-сжатого газа и образования слоя плазмы для очистки и активации свариваемых поверхностей [5 стр 46]. Необходимость механической обработки, травления и термообработки готового изделия зависит от марки свариваемого материала, исходного состояния поверхностей заготовок и требований к соединению. Механическая обработка оказывается нужной, если на поверхностях имеется окалина (при плакировании слябов). При сварке труб с трубными досками может потребоваться расточка отверстия в доске или обточка трубы для создания зазора определенной геометрии между заготовками. Необходимый угол наклона может быть также получен за счет пластической деформации конца заготовки (обжатие или раздача на конус, отгиб края пластины). Для аустенитных сталей, алюминиевых и титановых сплавов, других материалов применяют травление. Эту операцию выполняют за 2..5 часов до сварки. Обезжиривание способствует стабилизации качества и проводится непосредственно перед сваркой. Очень распространена следующая последовательность трехстадийного процесса образования прочных связей между атомами соединяемых металлов при сварке взрывом: очистка и активация контактных поверхностей ударно-сжатого газа и тонкими плазменными потоками; образование физического контакта в точке соударения; объемное взаимодействие с формированием соединения и пластической деформацией за точкой контакта [5 стр 48].

Сборку осуществляют на месте производства взрыва. Основное внимание обращают на обеспечение заданного зазора и равномерного распределения взрывчатого вещества. Допускаемая местная кривизна или прогиб заготовки лежит в пределах 1…3 мм на 1 м длины. При сварке цилиндрических заготовок овальность и разностенность ограничиваются несколькими процентами. При наружном плакировании относительно тонкостенной заготовки для предотвращении ее деформации в процессе взрыва либо внутренняя полость заполняется какой –нибудь   жидкостью (вода, битум), либо внутрь вставляется массивная оправка. При плакировании полой заготовки с внутренней стороны массивная оправка устанавливается снаружи. 

На поверхности  метаемой заготовки может укладывается прокладка (буферный слой) из неметаллических  материалов для смягчения бризантного  действия взрывчатого вещества на металл. Дозировка и крепление взрывчатого вещества от его вида: порошок, гранулы, шнур, пластины. Сборка завершается установка детонатора и монтажом электрической цепи подрыва.

Выбор основных параметров режима. Условие сварки при конкретных заготовках в массе взрывчатого вещества определяются тремя физическими параметрами: скоростью распространения фронта детонации; скоростью развиваемой метаемой пластиной к моменту соударения заготовок, и углом, образованным соединяемыми поверхностями в «точке» соударения [1 стр 496].

Реальная скорость соударения заготовок при сварке зависит от зазора. При зазоре равным нулю скорость равна нулю для любого значения толщины слоя взрывчатого вещества. Сваривание при этом не происходит. При чрезмерном повышении скорости (при увеличении толщины слоя взрывчатого вещества и зазора) в соединяемых заготовках образуются сколы и трещины. При очень большом зазоре сваривание также не происходит. Таким образом, существует оптимальное значение зазора.

Скорость детонации  зависит от природы взрывчатого вещества, его плотности, влажности, дисперсности частиц, геометрических размеров заряда. Для конкретной марки взрывчатого вещества эти параметры известны. Поскольку контролировать физические параметры процесса не удобно, то технологические параметры принимают для выбранной марки взрывчатого вещества толщину его слоя , начальный зазор и угол.

При выборе значений параметров сварки можно руководствоваться  следующими рекомендациями. В качестве взрывчатого материала выбирают взрывчатое вещество и их смеси, имеющие скорость детонации меньше скорости распространения звуковой волны в свариваемом материале. При соблюдении такого условия в приповерхностных слоях во время соударения заготовок успевает развиться пластическая деформация. В противном случае возникают резко локализованные ударные волны, разрушающие металл. Примерами используемых взрывчатых веществ могут быть [9, стр 16]:

1. механическая смесь аммонита 6ЖВ и гранулированной аммиачной селитры и в соотношении по массе (1:4) – (1:2);
2. смесь тротила [3% (мас.)] и аммиачной селитры [97% (мас.)].

Для приварки тонких заготовок (2…3 мм) может использоваться низкоипульсное  листовое взрывчатое вещество, представляющее собой поролоновый  лист, пары которого заполнено кристаллическим  взрывчатым веществом.

Давление в  зоне соударения должно быть p˃kσ_т, где σ_т – предел текучести металла при статическом нагружении; k – коэффициент, зависящий от механических свойств свариваемых материалов. Обычно k = 10..50 (большие значения относятся к отожженному, меньшее к наклепанному металлу).

При выборе установочного  зазора h можно руководствоваться  соотношениями h˃0,5δ_м. Установочный угол α обычно выбирают в переделах 2..7^о. При сварке по схеме с параллельном расположением заготовок конец метаемой заготовки со стороны установки детонатора отгибается на угол порядка 2^о на длине ~ 150 мм. Зазор h обычно 6..8 мм. На практике при обработке технологии, как правило, выбирают взрывчатое вещество со скоростью детонации 3000..4000 м/с и корректируют режим, изменяя зазор h в большую и меньшую стороны и тем самым меняя скорость соударения.

Оборудование  применяемое при сварке взрывом. Сварка чаще всего ведется на полигонах. Заготовки устанавливают на массивных плитах или на грунте. В заводских условиях процесс можно вести в специальных камерах, в которых создается разрежение порядка 500…1000 Па. Сварка в камере производится при массе взрывчатого вещества, не превышающих нескольких килограммов. В полигонных условиях мощность может составлять 10…100 кг. Для сварки больших по размеру заготовок полигоны должны быть оборудованы транспортными средствами, подъездными путям.

3 Технологические  схемы сварки и технологии изготовления плакированных взрывом, штамповка взрывом

Технологические схемы сварки взрывом. Рассмотренная «угловая схема» и ее технологические варианты (рис 4) применяются для сварки плоских и цилиндрических заготовок. Необходимый начальный угол α может задаваться начальным пространственным расположением заготовок, механической обработкой или местным прогибом свариваемого участка одной из деталей. Однако при использовании этой схемы не обеспечивается постоянство условий сварки на все площади соединения [1 стр 493]. Поэтому применение его ограничено относительно не большими размерами заготовок.

           Рисунок 4 Разновидность угловой схемы сварки: а – плоских заготовок с ограниченной площадью соединения; б – с отгибом конца метаемой заготовки; в – с двусторонним расположением заряда; 1 – металл; 2 – неподвижная заготовка; 3 – взрывчатое вещество; 4 – демпфирующий слой; 5 – подкладка; 6 – детонатор.

В силу этого  схема с параллельным расположением  поверхностей (рис 5) получило большее  распространение. За исключением не большого по протяженности отогнутого участка отогнутого участка, условия сварки всюду одинаковы. Это позволяет применять ее для заготовок любых размеров.