Жарылыспен дәнекерлеу

Жарылыспен дәнекерлеу

Жарылыспен дәнекерлеу энергияны  енгізу түрінен металлдарды механикалық  дәнекерлеу түріне жатады. Осы кезде жару қосылысы (ВВ) химиялық  энергия газ тәріздес дене ұлғайып механикалық энергияға айналады, осы арқылы металлға үлкен жылдамдықпен энергияны беріп қозғалтады. Кинетикалық эенргия қозғалатын дене мен қозғалмайтын дененің жұмысы пластикалық деформацияға айналып, дәнекерлеу қосылысына айналады. Деформация кезінде жасалғын жұмыс жылуға айналады, осының әсерінен адиабаталық процесс әсерінен үлкен жылдамдық металлды үлкен температураға дейін көтереді(тіпті үлкен көлемдегі еру).

жарылыспен дәнекерлеудің принципиалдық  схемасы  қозғалмайтын табан 1 (жер, ағаш, металл т.б.), 2 дәнекерлену денесі, осынын үстінен h биіктіктегі параллельді технологиялық бекітпеде 4 орналасқан. Пластинаның үстінгі бетінде Н биіктіктегі және аудан, әдетте пластинаның ауданына 3 тең ВВ  5 жарылыс заряды орналасқан (ең таралған түрі ұнтақ ВВ жарылыс заряды берілген ауданға және белгілі бір қалыңдықта ашық контейнерде орналасады, ал екінші жағында ВВ зарядының детонаторы 6 орналасады.

ВВ зарядын жарылыспен орындау кезінде, оның бойымен детонацияланған толқын фронты D жылдамдықпен таралады, 2000-8000 м/с жылдамдықпен шектелген, ал оны жарылыс затының химиялық және физикалық күйін анықтайды. Жарылыстың газ тәріздес денесі инерциямен  ВВ 100-200 мың атм.қысым   бойынша заряд көлемінің бастапқы қалпын содан кейін 0.50-0.75Д жылдамдықпен нормаль бойымен заряд бос кеңістікте кеңееді.В жылдамдықпен қозғалмайтын металл бөлігінің ауданы астыңғы қозғалмайтын бөлігі арқылы импульс тізбектей үдемелі қозғалыс арқылы соқтығысады.

Рис. 8. Схема установившегося процесса сварки взрывом:

/ — фронт детонационной  волны; 2 — фронт разлета продуктов взрыва ВВ; 3 — фронт волны разрежения; D — скорость детонации В В; v„ — йор-

н

мальная составляющая скорости соударения контактирующих поверхностей; о_к — скорость движения вершины динамического угла встречи контактирующих поверхностей у в направлении сварки (о = D)

К

Лақтырылған пластина белгілі бір  ара қашықтықта екі рет майысады.

Жоғарыжылдамдықты соқтығысқан қозғалмайтын металл бөліктері түйісетін беттердің  қысымы 10-10 кбар. болатын етіп жылжымайтын шартараптардағыны жетілдіреді. Жан жақтан келетін біртекті емес қысылым едәуір қолайлы жағдай арқасында және пластикалық ағынның дәнекерлеу процесі кезінде металдың бөліктері деформацияланып бір бірімен жақсы дәнекерленеді.  
Дәнекерлеудің бұл процесі кезінде қышқылданған бет және үстіңгі қалдықтар ұсатылады. Бұл процесс арқылы қатты фаза бойынша байланыстың үстіңгі физикалық және электронды байланыс көмегімен әйгіліметалдық байланыс орнатуға болады.

 

 

Дәнекерлеу  тәртібінің параметрлері.Параметры режима сварки. Жарылыспен Дәнекерлеудің динамикалық параметрлерінің процессі мыналар болып табылады;v_с түйісетін беттің жылдамдығы; о_к бойлай түйісетін беттердің кездесу бұрыш төбесінің қозғалыс жылдамдығы; W пісірілетін бөліктерінің кинетикалық энергия екпіні.

Қиратушы толқындардың жүйесінде  екпінді пісірілетін бөліктері бойынша таралады- серпімді және одан кейін пластикалық. Екпінді дәнекерленген бөліктерінде соқтығысу толқындар системасы таралады. Орташа қысым р v жылдамдығына тәуелді,дәнекерленген металдардың физикалық қасиеттері адиабаталық екпін көмегімен анықталады,

 

 

 

 

 

 

 

металдар мен  оның қосындылары р — и құрастырылған координатасы көптеген техникада қолданыс табады. 

Скорость v_z жылдамдығы Д детонация жылдамдығына ,  р_вв тығыздығына,Нбиіктігіне

 ВВ зарядына, қалыңдығына, тығыздығына р_Пл  және екі дененің бастапқы арақашықтығына тәуелді. v_z жылдамдығын анықтаудың екі түрі бар— эксперименталды және есептік. Біріншісі вакуумдық камерадағы жарылыспен дәнекерлеу кезіндегі СФР фоторегистр көмегімен немесе рентгендік импульстік орнатулар арқылы үлкен жылдамдықмен фотоға түсіру.  Екінші түрі қиын жабдықтармен камералар қолданбай ақ тек қана катодтық

 Осциллографов арқлы тіркеу түрі.

Точных расчетных формул v_c формуласын анықтайтын тура және дәл анықтайтын мүмкіндік жоқ, себебі анықтаушы схеманың қиындығынан. Жақындалдатылған формуланың бірі айтуға болады.

 

В формулу не входит величина Н, так как предполагается, что движущийся участок пластины на всем пути Һ находится под действием импульса от разлета продуктов взрыва (т. е. время их разлета с поверхности движущегося участка

• превышает время движения последнего от исходного положения до соударения с неподвижной пластиной).

Металдың пластикалық деформациясы аз жылдамдықты пластикалық толқынның қысылуы с таралуын дислокациялық механизм жылдамдығымен мүмкін. Сол себептен соқтығысу зонасында физикалық дәнекерлеу пайда болу үшін   v_K жылдамдығының центрлік активті пайда болу механизмі с жылдамдығынан кем болуы керек,әйтпесе металл деформациялануға үлгермейді және дәнекерлеу пайда болмайды.

 

 

 

Дәлдікке жақын баға бойынша с мәнін мына формула арқылы табуға болады.

 

 

 

 

(2)

 

Мұндағы k — металдың модульдік көлем бойынша сығылуы, кгс/см²; р — металл тығыздығы (кгс/см²) • (с²/см).

 Осы уақыттан бастап жарылыспен  дәнерекерлеудің бастапқы орындалуы  бұрыштық схема бойынша түсіндіріледі.

(3)

 

 

 

 

 

 Тәжірбие бойынша қатардағы  металдар қосылыстары (титан болат,  алюминий болат және тағы басқалары) v_K < с шарты қажетті, бірақ жеткіліксіз. Олардың қосылыстағы қаттылығы, беріктігі өседі егер де v_K жылдамдығы дауыс жылдамдығына дейін азаятын болса. Сонымен қатар у_к ең төмен шегі пока қазіргі уақытта 1800—2000 м/с және  ВВ өндіруіндегі D мөлшері минималды болған жағдайда.

Металдардың қосылыс аймағында  берік қосылыс жасау үшін онда ол белгілі бір деформацияланған болуы қажет, себебі дәнекерлеу уақытын  анықтайтын аз уақыт ішінде екі түйістірілген  ауданда химиялық байланысты жойып  жіберіп оны жаңамен алмаустыру қажет. Жарылыспен дәнекерлеу кезінде  қажетті энергия тек қана пастикалық деформацияланған металдың төбесінің  бұрышында энергия қосылады,ал оның дәрежесі дәнекерленген бөлшектердің соқтығысуының кинетикалық энергияның шығынына ескертіледі.Ең соңында жарылыспен дәнекерлеудің энергетикалық балансы анықталады.

 

 

 

 

 

 

(4)

 

где W — удельная кинетическая энергия соударения свариваемых частей;

— удельная кинетическая энергия  системы сваренных частей; W₂ — удельная кинетическая энергия, затраченная на пластическую деформацию прилегающих к контактирующим поверхностям слоев металла; W_s — удельная энергия, уносимая из свариваемой системы с металлом под действием кумулятивного эффекта.

В свою очередь.

(5)

(6)

(7)

(8)

 

где, помимо уже ранее введенных  обозначений, т_х и т₂ — соответственно удельные массы метаемой и неподвижной частей. В приведенном балансе не учитываются диссипативные потери на колебания соударяющихся тел и нагрев метаемого тела продуктами взрыва ВВ из-за незначительности их величин.

 

  v_c, и_к және W (немесе U^_a) мағынасына анықтама берсек,онда дәнекерлеудің негізгі технологиялық параметрлерін Н, h, D және р_вв. онда оны есептеуге болады.

Бірақ жарылыспен дәнекерлеу технологиялық  процестерін эксперименталды жолмен ғана іске асыруға болады, ал есептеу жолымен болмайды, себебі берілген қосылыстардың берік қосылысын алу үшін қажетті қысым мен деформация мәндері белгісіз. Басқа бөлек зерттеулер бойынша ең мықты қосылыс алу үшін (минималы қысым р) онда динамикалық өлщемдері берілген жылдамдықты түзетілуі қажет. (табл. 4).

4. Результаты исследований

Свариваемые металлы	Давление при сварке р, кгс/см2	Предел текучести <Тт, кгс/см2
А1 + А1	6 300	300
Си -f- Си	24 600	1700
СтЗ + СтЗ	60 000	2400

 

Берілген Данных о минимальных пластических деформациях, обеспечивающих равно- прочность сварных соединений, из-за сложности и трудоемкости опытов еще меньше: равнопрочность соединений СтЗ + СтЗ достигается при 36% максимальных сдвигов на границе раздела металлов, в соединениях СтЗ + А1 — при 6% со стороны стали.

В дополнение к рассмотренным динамическим параметрам сварки взрывом можно  также отнести производный от скоростей v_c и v_K угол встречи контак- , тирующих поверхностей у и время t действия в окрестностях его вершины давления р, оценка роли которых в процессе сварки исследуется.

Особенности микронеоднородности сварных соединений. Физическая и химическая микронеоднородность, являющаяся общей чертой всех сварных соединений из-за местного приложения энергии при сварке взрывом разделяется на 10 основных видов, обусловленных характером и параметрами этого процесса, свойствами и сочетаниями соединяемых материалов.

ь₀/ь_&

'Рис. 11. Схема определения относительной суммарной протяженности физической микро- ^0,8 'неоднородности второго вида и зависимость от нее относительной прочности сварных соединений: ’

О_в — прочность сварных соединений без микро- Неоднородности второго вида и а₀ — с дан- 0,2 ной протяженностью этой микронеоднородно- Сти; Д — сталь 12Х18Н10Т + СтЗ; □ — сталь 0Х2ЭН28МЗДЗТ + СтЗ; X - сталь ХН75МБТЮ +

+ СтЗ; О — титан ВТб + сталь 10Г2СД; О — п сплав X15Н55М16В + СтЗ 

Физическая микронеоднородность: не обнаруживающиеся средствами оптической металлографии участки границы раздела металлов с низкой, доходящей до 0 прочностью, образующиеся

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при недостаточных величинах v_c и W, видимо, вследствие недостаточного развития пластической деформации, обеспечивающей создание только физического контакта;

искажение синусоидального профиля  границы раздела металлов при  чрезмерных значениях v_c (а следовательно, и угла 7) со скоплением в завихрениях волн различных дефектов (микропустот, неметаллических включений и т. п.),

снижающих прочность соединений с ростом их относительной протяженности практически по линейному закону (рис. 11);

участки мартенситной структуры на границе раздела углеродистой и легированной стали, иногда образующиеся из-за чрезмерного локального выделения тепла пластической деформации при развитии ее неравномерности по профилю волн и быстрого отвода тепла в прилежащий холодный металл (рис. 12);

повышающие прочность соединений слои металла у гра-

 

Рис. 14. Участок оплавленного металла  в сварном соединении сталь Х25Т (вверху) + сталь 10Г2СД (X 300)

 

Рис. 15. Рекристаллизованиая структура серебра (вверху) около оплавленного участка в соединении со сталыо 10 (X 100)

 

ницы раздела, упрочненные пластической деформацией, ширина и твердость которых растет с увеличением W (рис. 13);

локальные участки оплавленного металла  в соединениях между однородными  металлами, сплавами и сталями, образующиеся при чрезмерных величинах W (рис. 14);

участки рекристаллизованной структуры вблизи границы раздела металлов или оплавленных участков, образующиеся под действием тепла пластической

деформации или тепла, выделяющегося  при кристаллизации оплавленного металла (рис. 15).

Химическая  микроне, однородность:

локальные участки оплавленного металла  трех видов, образующиеся в соединениях  разнородных металлов со свойствами, обусловленными их сочетаниями:

состоящие из твердых растворов, обладающих непрерывной взаимной растворимостью, практически не влияющие (а иногда и повышающие) на прочность соединений, если они не содержат кристаллизационных дефектов;

состоящие из интерметаллических соединений и эвтектик в композициях с  ограниченной растворимостью (например, титан—сталь), практически не участвующие в работе соединений и линейно снижающие их прочность с ростом относительной протяженности (рис. 16);

состоящие из мелкодиспергирован- ных частиц обоих сваренных металлов в композициях, не взаимодействующих в равновесном состоянии (например, серебро — сталь), (см. рис. 15); примыкающие к границе раздела металлов слои с однофазной структурой в соединениях двухфазных сплавов с второй фазой, упрочняющей границы твердого раствора; при этом вторая фаза скапливается на внешних границах однофазных слоев (рис. 17). Механизм образования этой неоднородности требует специального изучения.

В заключение необходимо отметить отсутствие на границах раздела разнородных металлов диффузионных зон или перемешивания (в соединениях без оплавленных участков), не обнаруживаемых электронной микроскопией и локальным рентгеноспектральным анализом, что позволяете помощью сварки взрывом получать прочные соединения между разнородными металлами и сплавами.

Зависимость прочности соединений от параметров сварки. Причины образования того или иного вида микронеоднородности в соединениях различных композиций имеют общий характер и обусловлены величинами о_с и W. Поэтому во всех случаях сварки взрывом зависимость прочности сварных соединений от наиболее важного параметра процесса — скорости о_с, обусловливающей давление Р и количество вводимой энергии W, имеет одинаковый характер и выражается кривыми с максимумом (рис. 18), которые условно можно разделить на три области.

В первой из них с увеличением  и_с прочность соединений возрастает почти скачкообразно до прочности основного металла за счет исчезновения первого вида физической микронеоднородности. Численные значения v_c, соответствующие достижению в этой области равнопрочности, для различных толщин и сочетаний металлов различны и обычно определяются опытным путем или по данным сварки аналогичных материалов. 

Во второй области с увеличением v_c наблюдается некоторый дальнейший рост прочности соединений вследствие развития физической микронеоднородности

300

400

500 v_c,m/c

Рис. 18. Зависимость прочности сварных  соединений титановых сплавов со сталью от скорости и_с при различных толщинах метаемых пластин (v_K = 2000 м/с):

1. — ВТ1-1 (толщиной 2 мм) + СтЗ;
2. — ВТ6 (толщиной 6 мм) + сталь 10Г2СД; 3 — ОТ4-1 (толщиной 8 мм) + СтЗ; 4 — ОТ4-1 (толщиной 10 мм) -j- сталь 12Х18Н10Т

четвертого вида. Ширина этой области  для различных сочетаний металлов также различна и может изменяться в широких пределах. В композициях с резко различными физико-химическими свойствами (например, титан — сталь) она узка, в композициях из однородных или близких по свойствам металлов (сталь — сталь) она растянута. Поэтому получить прочные соединения между металлами первого сочетания сложнее по сравнению с вторыми.

В третьей области с дальнейшим увеличением v_c прочность соединений уменьшается, в некоторых случаях до нуля. В композициях из металлов с ограниченной растворимостью причиной этого является оплавление металла на границе раздела, растущее с увеличением значений W (рис. 19). В композициях остальных типов — увеличение относительной протяженности участков со вторым видом физической неоднородности, появляющимся позже (при больших значениях и_с) оплавления.

Замечено, что за счет изменения  ширины второй области третья область  для одних и тех же сочетаний  металлов может смещаться влево  с ростом скорости v_K до полного исчезновения второй и падения максимальной прочности соединений (рис. 20).

Влияние исходного состояния свариваемых  материалов. Повышение исходной твердости обоих или одного из свариваемых металлов при неизменных параметрах процесса вызывает уменьшение длины и амплитуды волн на границе раздела металлов и увеличе ние относительной протяженности оплавленных участ 
ков. При сварке однородных материалов это почти не отражается на прочности сварных соединений, при сварке разнородных — является условием, ограничивающим получение равнопрочных соединений: при повышении твердости стали СтЗ от 200 до 400 кгс/мм² прочность ее соединения с титаном ВТ1 падает

Рис. 19. Зависимость относительной суммарной протяженности оплавленных участков Қ в сварных соединениях титана ВТ1-1 со сталью СтЗ (кривые 1—3) и циркония со сталью 12Х18Н10Т (кривая 4) от кинетической энергии соударения W:

/) v_K = 2000 м/с; 2) v_K = 2500 м/с; 3) v_u — 3500 м/с; 4) о = 2000 м/с

К к

с 35 кгс/мм² до нуля; изменение твердости алюминиевых сплавов в соединениях со сталью 12Х18Н10Т позволило по оптимальным давлениям соударения Р построить «треугольник свариваемости», ограничивающий возможность получения равнопрочных соединений твердостью алюминиевых сплавов в HV 60 (рис. 21).

К чистоте механической обработки  контактирующих поверхностей предъявляется следующее требование: шаг между зубцами характерного для механической обработки пилообразного профиля не должен превышать длины волн, зафиксированных на границе раздела металлов при выбранных (оптимальных) условиях сварки данных материалов с гладкими (шлифованными или прокатанными) поверхностями. В противном случае длина волн принудительно повторяет шаг между зубцами механической обработки с образованием завихрений, а в них — соответствующих видов микронеоднородности.

Обязательными являются зачистка до металлического блеска и обезжиривание.

Технологические схемы сварки. Принципиальная схема сварки (см. рис. 7) и представления о динамике процесса (см. рис. 8) позволяют создать ряд технологических схем, приведенных на рис. 22.

 

Помимо приведенных, существует большое  число схем для сварки различных  специальных соединений узкого назначения (вплоть до сварки стыков проводов электрических  сетей).

Взрывчатые вещества для сварки. Наиболее употребительными являются насыпные ВВ, так как они позволяют легко создавать заряды требуемых форм и размеров. Наиболее важные характеристики выпускаемых промышленностью ВВ приведены в табл. 5. Показатель «критический диаметр» в ней характеризует минимальную площадь поперечного сечения заряда, обеспечивающую его устойчивую детонацию с указанной скоростью. Из-за значительного разброса скоростей детонации целесообразно для каждой партии ВВ определять ее опытным путем.

5. Характеристики ВВ, применяемых для сварки взрывом

Марка ВВ	Насыпная плотность, г/см3	Критиче ский диаметр, мм	Скорость детонаций, км/с	Г аран- тийный срок использования, месяцы
Гранулотол	0,95—1,0	60—80	4,5—5,0	24
Гранулит: С-2 АС-4	0,80—0,95	120—150 100-120	2,4—3,2 2,6—3,2
АС-8 Зерногранулит: горячего смешения 79/21 холодного  смешения 79/21 50/50В Аммониты: скальный № 1 № 3	0,87—0,92 0,85-0,90 0,80—0,85 0,85—0,90 0,95-1,1 0,90-1,1	80-100 25—35 50—60 40-50 5-6 8-10	3,6 4,2 3,6 4,2 4,8—5,3 4,5	6
В-3 (порошок)	0,85—0,9	13—15	3,6-4,0
№ 6 ЖВ		10-13	3,6—4,8	з
№ 7 ЖВ	0,78-0,83	11—13	3,5—4,0
№ 9 ЖВ № 10 ЖВ № ПЖВ-20 Аммонал: водоустойчивый 30/70В	0,72-0,78 0,75-0,80 1.1—1,18 0,95—1,1 0,85-0,90	20-25 15—20 12—14 12-14 40—60	3,5 3,2-3,6 3,5-4,0 4,5 3,8—4,5	6
ТЭН Аммиачная селитра Гексоген *2	1.0 1,05	—	1,8 8.3	—
** Патрон. *2 Применялся для сварки по угловой схеме, используется для изготовления детонационного шнура (ДШ).

 

Области применения. Перспективы и  области применения сварки взрывом  определяются способностью создавать  в твердой фазе прочные соединения за счет поверхностных металлических  связей без развития объемной диффузии вследствие скоротечности процесса на больших, практически неограниченных площадях (имеются примеры сварки соединений площадью 15—20 м²). Это позволяет применять сварку взрывом для:

изготовления композиционных сутунок  и слябов с высокопрочным соединением слоев из разнородных металлов, сплавов и сталей для прокатки в двух- и многослойные листы;

 

Ультразвуковая  сварка

5 £ я £ S^'iaog непосредственного изготовления биметаллических

S«o5 листов металлов и сплавов в любых сочетаниях;

|з” I я изготовления сплошных и полых цилиндрических

S композиционных заготовок для профильного проката и непосредственного использования в деталях машин;

s® I он непосредственной облицовки заготовок деталей

| я 5 о. “ машин (например, лопастей гидротурбин) металлами

*?& и сплавами;

цвчз* изготовления из разнородных металлов и сплавов плоских композиционных карточек с высокопрочным _я I .. I £• | чсоединением слоев, вырезки из них поперек слоев

^5' о->, переходников необходимой конфигурации (полос, ко-

2дя'§ те* , | лец, фланцев и т. п.) и вварки их обычными спосо-

бами между деталями из одноименных материалов; в этом случае открываются широкие возможности

§*§'£« Д^ля создания композиций с промежуточными слоями,

* m ^н я gg играющими при нагревах роль диффузионных барье-

§ 2 2 " ° ^ 2 S' ров между основными, и для повышения прочности и

о.» я” I g s * I работоспособности таких переходников с помощью

.. g S'с ° “з | контактного упрочнения промежуточных слоев при

с я^ю § Г. уменьшении их относительной толщины в неограни-

• -&S ченных пределах;

о л³» изготовления в виде плоских листов и цилиндри-

о ческих обечаек волокнистых композиционных материа-

• и * S а «я ^ч°" ^{лов с} неограниченным числом слоев матрицы и волокон;

»^a4f-S изготовления некоторых типов сварных соедине-

й s°og ^ний между элементами конструкций из однородных и

^& ||vg я разнородных материалов (например, труб с трубными

к 11« ° g « g 1 | досками);

• " ;5 * s яд£^<=, нанесения порошковых покрытий на металличе-
• ² 5 £ § t § i ские поверхности.

5 Н И m I « • !_Г • *

t—r д n X ® ^ Я

g Ч^я°з ''Ч^с,2о

о О * О £ *

"■§§§» Зг.-Ц УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКА

о S * ^w § й°° ®^{05 а}

3 я°§о §--°§я Ультразвук находит широкое применение в науке для

g- 5«®® со^я исследования некоторых физических явлений и свойств

^ш ° ° £ g ао^пя* веществ. В промышленности ультразвуковые колебания

g х>,я5 используются для очистки и обезжиривания изделий,

Для обработки труднообрабатываемых материалов.

8 § ^ 2 ° Установлено благоприятное влияние ультразвуковых

а I о £ | | ® | ч колебаний на кристаллизующиеся расплавы — проис-

3 Sg^ ходит дегазация и измельчение зерна и улучшение

• *-§1 механических характеристик литых металлов. Полу-

° °и м н к § ^ft чены положительные эффекты при воздействии ультра-

is S g Э I звуковых колебаний с целью снятия остаточных на-

о пряжений. Широкое использование ультразвук нахо-

& днт с целью интенсификации многих медленнотекущих

S _s®£s^ i⁴«cuog химических реакций. Известна аппаратура для конт-

§ Р^оля УР^0ВНЯ жидкости, скоростей ее течения и т. п.

и S as .. о я S о и Успешно используется ультразвук для контроля каче-

ф ^ ч 1 о* * * х ^к ства литья, сварных соединений и т. п.

fr^-1 яр^ЩЙ®»!?!! В сварочной технике ультразвук может быть

<n !§ *=* S о ^я § £ 2 ^ использован в различных целях. Воздействуя им на

°¹ 3«яяя1з^сзао. сварочную ванну в процессе кристаллизации, можно

^ | &“ £ S I S I I г! м улучшить механические свойства сварного соедине-

a ^1шя благодаря измельчению структуры металла шва