3. Сварка взрывом

Сварка взрывом - новый перспективный технологи­ческий процесс, позволяющий получать биметаллические заготовки и изделия практически неограниченных размеров из разнообразных металлов и сплавов, в том числе тех, сварка которых другими способами затруднена.

Сварка взрывом - процесс получения соединения под действием энергии, выделяющейся при взрыве заряда взрывчатого вещества (ВВ). Принципиальная схема сварки взрывом приведена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Угловая схема сварки взрывом до начала (а) и в стадии взрыва (б)

Неподвижную пластину (основание) 4 и метаемую пластину (облицовку) 3 распола­гают под углом α 2÷16 ° на заданном расстоянии h 2÷3 мм от вершины угла. На метаемую пластину укладывают заряд 2 ВВ. В вершине угла устанавливают детонатор 1. Сварка производится на опоре 5.

После инициирования взрыва детонация распростра­няется по заряду ВВ со скоростью D нескольких тысяч мет­ров в секунду.

Под действием высокого давления расширяющихся продуктов взрыва метаемая пластина приобретает скорость V_h порядка нескольких сотен метров в секунду и соударя­ется с неподвижной пластиной под углом γ, который уве­личивается с ростом отношения V_h/D . В месте соударения возникает эффект кумуляции - из зоны соударения выбра­сывается с очень высокой скоростью кумулятивная струя, состоящая из металла основания и облицовки. Эта струя обеспечивает очистку свариваемых поверхностей в момент, непосредственно предшествующий их соединению. Со сва­риваемых поверхностей при обычно применяемых режимах сварки удаляется слой металла суммарной толщины 1÷15 мкм.

Соударение метаемой пластины и основания сопро­вождается пластической деформацией, вызывающей мест­ный нагрев поверхностных слоев металла.

В результате деформации и нагрева происходит раз­витие физического контакта, активация свариваемых по­верхностей и образование соединения.

Исследование пластической деформации в зоне со­ударения по искажению координатной сетки показало, что прочное соединение образуется только там, где соударение сопровождается взаимным сдвигом поверхностных слоев метаемой пластины и основания. Там же, где взаимный сдвиг отсутствовал, и в частности в зоне инициирования взрыва, прочного соединения не было получено. Очевидно, что «лобовой» удар метаемой пластины в основание без тангенциальной составляющей скорости и сдвиговой деформа­ции в зоне соединения не приводит к сварке.

Процесс сварки взрывом определяется: скоростью метания пластины V_h, углом соударения γ; давлением, длительностью соударения, температурой в зоне соударе­ния.

Технологически режим сварки задают: скоростью детонации D; безразмерным параметром r, представляю­щим собой отношение , (где m_вв и m_пл - масса заряда и метаемой пластины; δ₀ и ρ₀ - высота и плотность заряда; δ_l и ρ₁ - толщина и плотность метаемой пластины); величиной сварочного зазора h.

Детонация - это процесс разложения ВВ с выделени­ем газов и тепла. Скорость детонации D определяется типом ВВ, его плотностью и толщиной слоя. В гомогенных заря­дах скорость детонации растет с увеличением плотности по линейному закону. В некоторых неоднородных (смесевых) ВВ скорость детонации растет с увеличением их плотности до определенного значения, а при дальнейшем уплотнении - снижается. С увеличением толщины заряда скорость дето­нации повышается, достигая своего максимального значе­ния при некоторой предельной' толщине, различной для многих ВВ.

При дозвуковой скорости детонации D<C_o (где С_о - скорость звука в свариваемом металле) под действием крат­ковременного импульса давления газов (продуктов разло­жения ВВ) и сжимающих напряжений на поверхности ме­талла успевает развиваться пластическая деформация, час­тично поглощающая энергию, вводимую в металл при взрыве. Волна разгрузки (растягивающих напряжений), возникающая при окончании сжатия, вызванного давлением газообразных продуктов детонации, имеет сравнительно небольшую амплитуду и, как правило, не опасна ни для ме­талла, ни для сварного соединения.

В случае сверхзвуковой скорости детонации D>С_о пластическая деформация не развивается. В металле возни­кают локализованные падающие и отраженные ударные волны, которые медленно затухают и могут приводить к по­вреждению металла.

Типичные разрушения в металле при детонации, находящегося в контакте с ним взрывчатого вещества, приведены на рис. 3.2.

Трещины 1 обусловлены резкими изменениями ско­ростей частиц в металле в зоне инициирования взры­ва. Осевая трещина 2 по­является при встрече ударных волн растяжения, отраженных от боковых поверхностей заготовки. Трещина 3 возникает при достижении критического напряжения в месте встре­чи падающей волны сжатия с отраженной волной растяжения. Угловое разрушение 4 связано со встречей на биссектрисе угла двух волн растя­жения, отраженных от боковой и нижней граней заготовки.

Рис. 3.2. Типичные разрушения металла под действием ударных волн

При сварке взрывом ВВ выбирают таким, чтобы ско­рость детонации была меньше скорости звука в соединяе­мых металлах и находилась в диапазоне от 1500 м/с до С_о. Скорость звука, например, в стали - 5900 м/с, в алюминии - 6260 м/с, в меди - 4700 м/с, а скорость детонации различных сортов аммонитов находится в пределах от 2500 до 6000 м/с, аммиачной селитры - 1800 м/с, гексогена - 6600 м/с. В отечественной и зарубежной практике в качестве ВВ при­меняют игданиты (смесь аммиачной селитры с дизельным топливом). С увеличением содержания дизельного топлива скорость детонации падает.

Скорость детонация при сварке взрывом определяет нормальную скорость V_h, развиваемую метаемой пласти­ной, и давление в очаге сварки при соударении пластин.

При недостаточной V_h соединение получается непрочным или провар может отсутствовать полностью. Так, для свар­ки сталей V_h ≥ 500÷700 м/с. При очень высокой скорости V_h в облицовке и основании возможно образование трещин под действием ударных падающих и отраженных волн.

Скорость метаемой пластины может быть определе­на по зависимости:

.

В практически применяемом диапазоне режимов сварки r = 0,6÷4,2, a V_h = (0,16÷0,25) D.

Скорость соударения зависит от зазора h. При h=0 V_h равна нулю и сварка, как правило, не происходит. Величина h не должна быть меньше 2÷3 мм. Больший зазор ухудшает качество соединения. При очень большом зазоре вообще не происходит сварка.

Соединяемые поверхности перед сваркой должны быть чистыми (в особенности по органическим загрязнени­ям), так как ни действие кумулятивной струи, ни вакуумная сдвиговая деформация при соударении полностью не ис­ключают вредного влияния таких загрязнений.

Исследование влияния начальных параметров режи­ма сварки (D, h и r) на качество соединения низкоуглероди­стой и хромоникелевой сталей показало, что по мере воз­растания значения аргумента в функции σ_отр = f(D, h, r) на кривых (рис. 3.3, а ) можно выделить три области: с низкой прочностью (ориентировочно D<1800 м/с; h<3-5 мм; r<1,1); с оптимальной прочностью и бездефектной структурой со­единения (D=2000÷3000 м/с; h = 5÷12 мм; r = 1,1÷1,5) и с по­вышенной прочностью в результате наклепа свариваемых поверхностей, но с наличием дефектов и трещин (D>3000 м/с; h>>12 мм; r>1,6). Выбор режимов должен осуще­ствляться по характеристикам, как прочности, так и струк­туры соединения (отсутствие трещиноподобных дефектов и нарушений регулярной конфигурации).

Рис. 3.3. Зависимость прочности соединения на отрыв от скорости де­тонации (а), величины сварочного зазора (б) и параметра г (в)

Одной из основных технологических задач, во мно­гом определяющих качество соединения, является выдер­живание исходного сварочного зазора. Сварка с нулевым зазором практически невозможна. Особенно актуальна эта задача при плакировании больших поверхностей тонкими листами (1÷5 мм). Сварочный зазор может быть обеспечен подвешиванием верхнего листа на тесемках и проволоке, с использованием металлических шариков, прокладок, спира­лей, тонких металлических гофрированных пластинок, на­несением на одной из поверхностей механической обработ­кой острых зубцов. Широкое практическое применение при плакировании крупногабаритных листов получили V-образные металлические опоры, изготовленные из листа тол­щиной 0,1÷0,2 мм. Зазор между листами перед началом про­цесса может быть создан за счет нагнетания между ними сжатого газа (избыточное давление 4÷10 Па), не вступающе­го в химическое взаимодействие со свариваемыми металла­ми, но определенная трудность при этом связана с гермети­зацией зазора.

Для повышения жесткости тонких металлических листов (фолы), необходимой для создания и выдерживания зазора, их крепят любым известным способом (например, точечной сваркой) к металлической пластине. А чтобы они не сварились между собой при взрыве, между ними наносят тонкий слой смазочного материала.

Поверхность плакирующего листа, находящегося в контакте с зарядом ВВ, может повреждаться вследствие бризантного действия заряда. Для защиты поверхности ре­комендуется между зарядом и плакирующим листом поме­щать буферный слой, например, из полиэтилена, линолеума, резины и т.п.

Сварка взрывом дает возможность сваривать практи­чески любые металлы. Однако последующий нагрев сва­ренных заготовок может вызвать интенсивную диффузию в зоне соединения и образование интерметаллидных фаз. Об­разование интерметаллидов приводит к снижению прочно­сти соединения, которая при достаточно высоких темпера­турах может снизиться практически до нуля.

Для предотвращения этих явлений сварку взрывом проводят через промежуточные прослойки из металлов, не образующих химических соединений со свариваемыми ма­териалами. Например, при сварке титана со сталью исполь­зуют в качестве промежуточного материала ниобий, вана­дий или тантал.

Сварка взрывом применяется для плакирования стержней и труб внутренних поверхностей цилиндров и ци­линдрических изделий.

При плакировании стержней трубу 1 (рис. 3.4, а) ус­танавливают с зазором на стержень 2.

Рис. 3.4. Схема плакирования взрывом стержня (а) и внутренней по­верхности трубы (б)

Внутреннюю поверх­ность трубы и наружную поверхность стержня механически обрабатывают и обезжиривают. На наружную поверхность трубы помещают заряд взрывчатого вещества 3, иницииро­вание которого производят по всему сечению одновременно так, чтобы взрыв распределялся по заряду нормально его оси. Для создания такого фронта используют конус из ВВ с детонатором 4 в его вершине. Для изоляции зазора от про­дуктов детонации и центрирования трубы относительно стержня в верхней ее части устанавливается металлический конус 5. В случае плакирования трубных заготовок 6 внутрь их устанавливается стержень 2. Толщина плакирующей трубы может быть от 0,5 до 15 мм, а диаметр теоретически не ограничивается.

При плакировании внутренних поверхностей исполь­зуется другая схема (рис. 3.4,б). Она предусматривает размещение плакируемой трубы 1 в массивной матрице 2. Внутрь трубы 1 с зазором устанавливается плакирующая труба 3 с заря­дом ВВ 4, инициируемого детонатором 5.

Для внутреннего плакирования крупногабаритных труб и цилиндрических изделий ответственного назначения применяют вместо массивной матрицы 2 дополнительный заряд, расположенный на наружной поверхности плакируе­мого цилиндра и взрываемый одновременно с внутренним зарядом.

Эффективным процессом соединения тонких листов внахлестку является точечная сварка, осуществляемая по схеме (рис. 3.5). Свариваемые листы 1 и 2 собираются на опоре 3. На верхний лист устанавливается через буферную прокладку 4 цилиндрический заряд ВВ 5, взрываемый детонатором 6. После взрыва образуется соединение в виде кольца, внутренний диаметр которого несколько меньше наружного диаметра заряда.

Рис. 3.5. Точечная сварка взрывом

В ряде случаев при сварке пластин используется схема, при которой перед сваркой отгибается конец метае­мой пластины (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Схема сварки с отгибом пластины

Отгиб осуществляется на длине 100÷150 мм под углом 2°. Сварочный зазор на участке па­раллельного расположения метаемой пластины и основания составляет 6÷8 мм. Эта схема сварки позволяет сохранить постоянство параметров процесса по всей облицовываемой поверхности. Это обеспечивает более стабильное качество соединения по сравнению с угловой схемой (рис. 3.1).

В современных процессах металлообработки взрывом применяют заряды ВВ массой от нескольких граммов до сотен килограммов. Большая часть энергии, выделяющейся при взрыве, излучается в ок­ружающую среду в виде ударных волн, сейсми­ческих возмущений, разлета осколков и т.д. Воздушная ударная вол­на - наиболее опасный поражающий фактор взрыва. Поэтому сварку взрывом производят на полигонах (открытых и подземных), удаленных на значительные расстояния от жилых и промышленных объектов, и во взрыв­ных камерах.

Преимуществом работы на открытых полигонах яв­ляется возможность взрыва заготовок практически неогра­ниченных габаритных размеров.

Открытый полигон представляет собой площадки, имеющие соответствующее оснащение для взрыва заряда ВВ, укрытия для тихоходной техники на период взрыва, склад взрывчатых материалов и железнодорожную ветку. Вся подготовка заготовок к взрыву (зачистка, мойка, сбор­ка) производится в цехе, собранные пакеты железнодорож­ным транспортом доставляются на разгрузочные площадки полигона, откуда автотранспортом - к месту взрыва. После сварки взрывом по той же цепочке заготовки доставляются в цех, где проходят контроль и, при необходимости, терми­ческую обработку. В ряде случаев цех для подготовки заго­товок к взрыву находится на полигоне. При проведении ра­бот в полевых условиях возможно попадание песка, пыли, влаги на свариваемые поверхности, что отрицательно ска­зывается на качестве соединения. Определенные трудности связаны с раскладкой сыпучих ВВ при ветре и осадках. В условиях отрицательных температур возможно разрушение заготовок вследствие снижения ударной вязкости металлов.

Определенные преимущества есть у подземных по­лигонов. Работа на них не зависит от времени года и погод­ных условий, обеспечивается локализация поражающих факторов. Взрывные камеры, выполненные в породах высо­кой прочности, имеют габаритные размеры: длина 5,4÷8,0 м, ширина 3,5÷3,8 м, высота 2,5÷2,8 м. Для хранения материа­лов, заготовок и готовой продукции на полигоне оборудо­ван склад, расположенный в 100 м от взрывных камер. Лис­ты основания в сборе с плакирующим листом, на котором уложен заряд ВВ, подаются в камеру специальным транс­портом в виде массивной платформы по железнодорожным путям, снабженным устройством дня амортизации удара в момент взрыва. После взрыва и продувки камеры для уда­ления газообразных продуктов детонации платформу с плакированным изделием выкатывают из тоннеля. Недостат­ками подземных участков являются ограниченные размеры свариваемых заготовок, повышенная влажность воздуха, возможность разрушения камер от систематического под­рыва зарядов, высокая себестоимость продукции.

Для локализации поражающих факторов взрыва применяют замкнутые бетонные конструкции, как правило, углубленные в землю. Например, в США используют желе­зобетонные камеры диаметром 12 м, высотой 8 м при тол­щине стенки 0,61 м. Камера рассчитана на подрыв заряда ВВ массой до 23 кг. Подрыв заряда производится на сталь­ной плите размером 2,4×1, 8×1,5 м.

Более перспективно для локализации поражающих факторов взрыва использовать металлические взрывные ка­меры, которые бывают цилиндрическими с горизонтальным и вертикальным расположением оболочки, и сферические. Сферические взрывные камеры диаметром 10,5 м с толщи­ной стенки 20 мм из стали 09Г2С рассчитаны на заряд ВВ массой до 50 кг.

На качество сварного соединения существенно влия­ет опора, на которой устанавливается изделие. Главным требованием, предъявляемым к опоре, является долговеч­ность при хорошем отводе ударных волн и минимальных остаточных деформациях изделия. Опора должна быть при­годной для размещения на ней изделий различной формы и габаритных размеров, а также обладать несжимаемостью для обеспечения обрезания краевых свесов листа плаки­рующего материала и предотвращения углубления в нее из­делия. Для механизации и автоматизации вспомогательных работ опора должна предотвращать сброс изделия в момент сварки взрывом.

Наиболее распространенными являются опоры, вы­полненные из грунтово-песчаных смесей, щебня, металла, резины и металла, железобетона, металлической дроби. Сварка на грунтово-песчаных опорах сопровождается зна­чительными остаточными деформациями изделий, а также при сварке изделий толщиной менее 10 мм наблюдаются краевые непровары. Цельнометаллические опоры недолго­вечны и не позволяют сваривать изделия сложной формы. Несколько лучше в эксплуатации резинометаллические опоры, представляющие собой набор металлических листов разделенных резиной. Однако верхний лист металла быстро теряет форму. Железобетонные опоры позволяют сваривать изделия сложной формы, но являются одноразовыми и, сле­довательно, дорогими. Наиболее полно всем требованиям удовлетворяют опоры из металлической дроби, которые удобны в обслуживании и надежны в работе. Материал дро­би выбирают из условия близости по физико-механическим свойствам к материалу сва­риваемого изделия. Такие опоры имеют различные конструкции в зависимости от назначения. Например, для плакирования лопастей гидротурбин применяют опору (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Конструкция опоры для плакирования лопастей

Металли­ческую дробь 6 и плакируе­мое изделие 2 помещают в емкость 1, верхний участок стенки 5 которой выполняют из гибкого материала (напри­мер, корда). Этот участок перед взрывом удерживается в вертикальном положении с помощью нитей 4, закреплен­ных на торцах плакируемого изделия 2. В момент взрыва краевые свесы плакирующего листа 3 обрезаются и обры­вают нити 4. Участок стенки 5 откидывается и обеспечива­ется выброс из емкости некоторого количества дроби.

При сварке изделий толщиной менее 10 мм емкость с дробью рекомендуют заполнять жидкостью. Так как жид­кость несжимаема, то она воспринимает значительную часть импульса от взрыва, снижая давление дроби в зоне контакта ее с изделием и уменьшая остаточные деформа­ции.