Screenshot_3

Пути управления процессом сварки взрывом

Screenshot_23

Вступление

Вы можете кратко ознакомиться с процессом сварки взрывом перейдя по ссылки, а также ознакомиться с короткой исторической справкой.

В последние годы развивается теория образования связей в контакте соединяемых металлов за счет дефектов кристаллической структуры, для чего на контактных поверхностях необходимо создание активных центров (дислокаций, вакансий и др.). Их возникновение в приповерхностном слое и выход на поверхность создают условия для протекания в контакте соединяемых металлов квантово-механических процессов взаимодействия электронных оболочек атомов и диффузии.

Активацию процесса соединения металлов в твердом состоянии можно отождествлять с активацией процесса зарождения и движения упомянутых дефектов.

Необходимая активация процесса в таком случае будет определяться числом существующих химических связей в поверхностных слоях контактирующих тел и числом разрыва связей, необходимых для образования соединения.

Screenshot_24

Факторы влияющие на процесс сварки взрывом

На основании этой теории и изложенных представлений о кинетике сварки взрывом можно построить логическую цепочку из звеньев, управляющих процессом сварки и определяющих условия образования прочных соединений.

  • Во-первых, после соударения начальных участков свариваемых частей по ним распространяется система ударных волн — упругой и следующей за ней пластической. Последняя возникает, если давление, развивающееся в зоне соударения, превышает некоторое критическое значение. 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 создания физического контакта и реализации механизма образования в контактирующих поверхностях активных центров скорость перемещения вдоль свариваемого соединения вершины угла встречи соударяющихся поверхностей vK должна быть меньше величины с. В противном случае металл не успевает деформироваться, и сварка не происходит.

 

Указанное требование легко выполняется путем подбора ВВ соответствующего типа, так как при протекании процесса сварки по схеме рис. 3 vK=D, а величину с при известных физических константах свариваемых материалов рассчитывают по распространенным уравнениям физики взрыва и теории ударных волн из условий сохранения состояния твердых тел под интенсивным давлением. С приемлемой для приближенных оценок точностью скорость распространения фронта пластической волны сжатия может быть определена по формуле:

Screenshot_15

где

  • К—модуль объемного сжатия металла (кГ/см2);
  • р — плотность металла [(кГ/см3) • (сек2/см)].

Правда, опыты показывают, что для ряда сочетаний метал-лов, например титана со сталью и алюминия со сталью, выполнение этого условия является необходимым, но не достаточным. Прочность их соединения продолжает расти с уменьшением скорости vK и, если так можно выразиться, в «до звуковой области».

При этом нижний предел возможного уменьшения Ц пока составляет 1800—2000 м/сек и определяется производством ВВ с этой минимально возможной скоростью детонации.

Поэтому в некоторых случаях целесообразно экспериментально уточнить оптимальные величины vк для заданных сочетаний материалов. Для этого их сваривают с помощью различных ВВ, а сварные соединения подвергают механическим испытаниям на отрыв и металлографическим исследованиям. По полученным данным устанавливают наиболее пригодное для сварки ВВ.

  • Во-вторых, металл в зоне соударения подвергается всестороннему неравномерному сжатию с наиболее благоприятными условиями для пластического течения в направлении процесса сварки благодаря наличию свободной поверхности перед вер-шиной так называемого динамического угла встречи соударяющихся частей (рис. 3). Чтобы в условиях высокоскоростного нагружения заставить металл пластически деформироваться в этом направлении, давление во фронте пластической волны сжатия должно достигать некоторой определенной величины, зависящей от прочностных характеристик материала. Строго обоснованной зависимости между величинами этих параметров пока не установлено.

Screenshot_26

 

Величину минимального давления, необходимого для создания прочных сварных соединений первоначально было принято считать равной величине теоретической прочности свариваемых металлов при сдвиге, составляющей 0,17 от их модуля сдвига G (по Я. М. Френкелю). Однако последующие исследования и практика сварки показали, что прочные сварные соединения образуются под действием значительно меньших давлений. По данным появившихся в последнее время работ величины необходимых минимальных давлений, примерно, на порядок превышают предел текучести свариваемых металлов (табл. 1).

Таблица 1

Screenshot_16

  • Величина среднего давления р, развивающегося в зоне со-ударения свариваемых частей, зависит от скорости их соударения у, физических свойств металла и может быть определена с помощью ударных адиабат, построенных в координатах «р—и» для большинства распространенных в технике металлов и сплавов (и — массовая скорость частиц металла за фронтом удар-ной волны).
  • При известном значении v на ударную адиабату металла неподвижной свариваемой части накладывают зеркальное отображение ударной адиабаты металла метаемой части располагая ее начальное состояние в точке А с абсциссой и равной заданной величине; ордината точки пересечения адиабат В при этом дает искомую величину р (рис. 5).
  • Таким же путем, задаваясь величиной р, можно определить необходимую скорость соударения свариваемых частей v.
  • Скорости соударения частей металла v при сварке взрывом в настоящее время определяются двумя путями — экспериментальным и расчетным.
Screenshot_17
Рис. 5. Зависимость среднего давления р, развивающегося в зоне соуда-рения свариваемых пластин, от ско-рости их соударения v: OBM — ударная адиабата материала неподвижной пластины: НВА — то же, метаемой пластины

В первом случае применяют скоростное фотографирование процесса соударения свариваемых частей в вакуумных камерах с помощью фоторегистров типа СФР. Обработка эсфэрограмм позволяет определять величины динамических углов встречи соударяющихся поверхностей и по ним рассчитать значения v. Или используют хронографический метод, основанный на измерении с помощью      осциллографа ИВ-1 промежутков времени между замыканиями метаемой частью   двух электрических контактов, торец одного из которых устанавливают заподлицо со свариваемой поверхностью неподвижной части, а торец второго почти вплотную приближают к поверхности метаемой. Изменение от опыта к опыту исходного расстояния h между соударяющимися поверхностями двух частей металла позволяет получать графики путь—время и по ним с помощью графического дифферен-цирования вычислять значения v.

Параметры

Строгую расчетную схему определения v пока получить не удалось из-за сложности построения и большого числа переменных величин, определяющих процесс соударения металлических тел при сварке (рис. 3). Поэтому для исследовательских и практических целей используют приближенные методы. В настоящее время их существует, по крайней мере, три. Применительно к схеме соударения пластин на рис. 3 каждый из них дает удовлетворительную сходимость с опытом, хотя и основан на довольно грубых допущениях, так как последние, видимо, в определенной степени компенсируют друг друга. Одна из приближенных расчетных формул приведена ниже:

Screenshot_18

где

  • Dy h, бв — обозначены на рис. 3;
  • р в в— плотность ВВ;
  • Ре— плотность верхней (метаемой) пластины.

Опыты показывают, что вычисленные по этой формуле значения близки к действительным, если время разлета продукт» взрыва ВВ с движущегося наклонного участка метаемой пластины (см. рис. 3) превышает время его движения от исходною положения до соударения с неподвижной пластиной, т. е. в том случае, когда величины h малы по сравнению с Н. На рис. 6 сопоставлены значения с, рассчитанные по формуле (2) с экспериментальными для зарядов В В высотой 20 и 40мм так как с изменением ее величины в этих пределах скорость детонации входящего в заряды аммонита увеличивается от 3000 до 4000 м/сек.

Таким образом, при известных технологических параметрах сварки (h H, D, Pвв), размерах и свойствах свариваемых металлов (бв ре) по диаграмме р—и с приемлемой степенью точности (ошибкой в пределах 10—20%) можно рассчитать величины v и р или решить обратную задачу — подобрать по ним заряд ВВ и исходное расстояние между свариваемыми поверхностями.

  • В-третьих, экспериментально установлено, что создание в зоне соударения свариваемых частей определенного давления является необходимым, но ‘недостаточным условием для образования прочного соединения.

Для этого «металл еще должен быть в определенной степени пластически деформирован, так как для образования прочного соединения необходимо в течение очень короткого времени, определяемого скоростью процесса сварки, разорвать подавляющую часть химических связей на обеих контактирующих поверхностях и заменить их новыми. Требуемая энергия активации этого процесса при сварке взрывом может развиться только в результате пластической деформации металла в зоне соударения. Степень пластической деформации металла в этой зоне обусловливается расходуемой на нее долей кинетической энергии соударения свариваемых частей.

Screenshot_19
Рис. 6. Зависимость v от h при применении зарядов ВВ из аммонита В-3 высотой H=20 и 40 мм: точки — средние экспериментальные данные вертикальные отрезки прямых — пределы разброса экспериментальных данных.

Если для сварки заданных материалов выбор необходимых vK и р и расчет по ним технологических параметров процесса — исходного зазора’ между соударяющими поверхностями Щ плотности рвв скорости детонации D и высоты Н заряды ВВ- не представляют принципиальных трудностей, то для аналитического решения наиболее важной задачи — определения необходимой степени деформации металла п затрачиваемой на это энергии — пока не хватает некоторых звеньев. Эту задачу можно представить в виде определения следующих зависимостей:

  1. Прочности сварного соединения г-г- от числа разрывов существующих и образовавшихся новых химических связей в слоях металла, прилегающих к соударяющимся поверхностям. Считают, что для образования прочного соединения необходим разрыв 70—90% существующих поверхностных связей. Хотя при сварке разнородных металлов с резко различающимися прочностными характеристиками для получения соединения, равнопрочного наиболее слабому из свариваемых металлов, этот процент является, видимо, завышенным, в первом приближении его можно принять в качестве исходной величины.
  2. Числа разрывов существующих и образовавшихся новых связей — от необходимой для осуществления этого процесса энергии.

Если активацию процесса образования соединения металлов в твердом состоянии отождествить с активацией процесса образования и движения дислокаций и вакансий, то число разрывов связей V, необходимых для образования соединения, можно сопоставить с энергетическими условиями процесса известным уравнением:

Screenshot_20

где

  1. N0— число всех существующих поверхностных связей;
  2. Еа— энергия активации движения дислокаций, энергия активации образования и движения вакансий или энергия единичной связи в зависимости от природы вещества, типа химической связи, а также механизма и условий активации поверхности; v— частота собственных колебаний атомов или частота перемещения дислокаций; г—длительность активационного процесса; г)—коэффициент, равный 1—3, чем больше активированы атомы, тем ближе этот коэффициент к единице;
  3. Т—температура процесса активации;
  4. R— постоянная Больцмана.

Использование уравнения (3) для условий сварки взрывом затруднено из-за отсутствия достоверных данных о энергии ак-тивации развития процессов химического взаимодействия и расчета температуры в этом случае.

Энергии, затраченной на разрыв

Энергии, затраченной на разрыв определенного числа существующих и образование новых связей — от степени пластической деформации металла в зоне соединения. Эта часть пдачи также не решается аналитически, так как объем доформцрованного в зоне соединения металла пока можно определят только опытным путем, а зависимость между величиной остаточных перемещений и затрачиваемой на них энергии не известна. Установлено пока существование линейной зависимости прочности сварных соединений стали со сталью Ст. 3 от относительной величины максимальных сдвигов металла в прилегающих к контактирующим поверхностям слоях (рис. 7). При этом соединения становятся равнопрочными основному металлу при его максимальном сдвиге на 35%. С

дальнейшим увеличением последнего прочность соединения этих металлов продолжает повышаться вслед Рис. 7. Зависимость прочности сварных соединений Ст. З+Ст. 3 oi вели-чины максимальных сдвигов gmax металла у линии соединении ствие более интенсивного упрочнения металла в деформированной зоне. При этом прочность сварных, соединений весьма чувствительна к изменению величины максимальных сдвигов металла в контактирующих слоях. В большинстве случаев, особенно при сварке разнородных металлов прочность падает как при их уменьшении ниже некоторого предела из-за образования непроваров, так и при увеличении — из-за образования дефектов (о которых подробно будет сказано ниже) вследствие выделения в зоне соударения чрезмерной энергии.

Другие факторы

  • Степени пластической деформации металла в зоне соединения — от затрачиваемой на нее энергии при соударении свариваемых частей. Эта связь пока также не может быть определена по указанным в п. 3 причинам.
  • Величины удельной энергии w затрачиваемой на пластическую деформацию металла в зоне соударения — от известной удельной кинетической энергии соударения свариваемых частей (термин «удельная» означает отнесение дайной величины к единице площади сварного соединения):

Screenshot_21

Или

Screenshot_22

  1. где wK— удельная кинетическая энергия соударения свариваемых частей;
  2. /ль /я*— соответственно удельные массы метаемой и неподвижной частей металла;
  3. с— скорость распространения в металле свариваемых частей пластической волны сжатия;
  4. vK—скорость перемещения вдоль свариваемого соединения вершины угла встречи соударяющихся поверхностей;
  5. v— скорость соударения свариваемых частей.

Так как определение расчетным путем всех перечисленных выше зависимостей пока невозможно, оптимальные режимы сварки заданных материалов и толщин приходится устанавливать экспериментально, опираясь на зависимости р от v и wd от у и 0А.

Определение режимов сварки взрывом

Для определения режимов сварки однородных или близких по физико-химическим свойствам металлов обычно бывает достаточно ориентировочно выбрать скорость соударения v по заданной величине давления р с помощью графиков (рис. 3) и сварить серию опытных соединений с применением ВВ, скорость детонации D которого составляет 3000—4000 м/сек. При этом от соединения к соединению уменьшают или увеличивают величину v, изменяя исходные зазоры h между соударяющимися поверхностями [см. формулу (2)]. По результатам механических испытаний сварных соединений на отрыв слоев строят график ов ~f (v) и по нему находят оптимальную величину V. Для определения режимов сварки разнородных металлов с большим различием физико-химических свойств (например титана со сталью), более чувствительных к изменению режимов сварки, проводят несколько серий таких опытов, изменяя от серии к серии величину ик. Это позволяет получить зависимости максимальных значений ов не только от v, но и от vK.

Вывод

В заключение необходимо отметить, что встречаются случаи, в которых выполнение трех приведенных выше условий и получение прочных соединений затруднительно. Из рис. 5 и формулы (5) видно, что давление р в зоне соударения и затрачиваемая на пластическую деформацию энергия wd зависят от скорости соударения свариваемых частей v. При значительных удельных массах соединяемых частей могут сложиться условия, при которых соударение пластин со скоростью, требуемой для развития необходимой величины р в зоне соударения, повлечет чрезмерную пластическую деформацию металла с образованием дефектов, снижающих прочность сварного соединения. Так как сварку обычно производят на каком-либо основании, то решающую роль играет удельная масса метаемой части ш В этих случаях приходится прибегать к уменьшению ее толщины и к последовательной приварке в несколько приемов. Вытекающее из формулы (5) уменьшение wd за счет увеличения vK приводит только к уменьшению ширины зоны деформации металла, не снижая существенно ее интенсивности в слоях, прилегающих к контактирующим поверхностям

Добавить комментарий