Вопросы для проверки

1. Что такое ультразвуковые волны и каков их диапазон частот?

2. Что такое понятие магнитострикция?

3. Какие металлы относятся к магнитострикционным?

4. Какие ещё материалы обладают свойством магнитострикции?

5. С каким видом сварки можно сравнить ультразвуковую сварку?

6. Для сварки каких материалов применяется УЗС в промышленном производстве?

7. Где ещё, кроме сварки можно применить ультразвуковую технологию?

Тема 1.3. Сварка взрывом

В последнее время в технике все более широкое распро­странение находит процесс сварки с использованием энергии взрыва. Метод сварки взрывом применяется при сварке изделий из разнородных материалов, сварке труб, приварке отводов и других заготовок.

В помощь закрепления изучаемого материала предлагаются вопросы для самопроверки, а также тест №3 из блока текущего контроля освоения дисциплины. Для лучшего восприятия в тексте присутствуют рисунки графически представляющие процесс создания неразъёмного соединения. Необходимо заметить, что использование данного метода (способа) возможно только для пластически деформируемых материалов.

Схема сварки металлов взрывом представлена на рис. 7. На жесткое основание 5 (земляной грунт, дерево, металл и т. п.) устанавливают одну из свариваемых пла­стин 4. Вторую пластину 3 помещают над первой на рас­стоянии h от ее поверхности. На всю поверхность пла­стины 3 укладывают заряд 2 взрывчатого вещества (ВВ) слоем одинаковой толщины Н. Заряд взрывают при по­мощи детонатора /, находящегося в одном из концов или углов пластины 3. В качестве взрывчатого вещества исполь­зуют гранулированные аммониты и гранулиты, имеющие плотность около 1,0 г/см³ и скорости детонации D по­рядка 3 - 4 тыс. метров в секунду. Заряды ВВ взрывают с помощью электродетонаторов. После инициирования заряда ВВ детонатором вдоль слоя ВВ распространяется плоская детонационная волна. Позади фронта детонационной волны образуются продукты взрыва, которые в течение очень короткого проме­жутка времени по инерции сохраняют прежний объем, находясь под давлением 100 - 200 тыс. атм., а затем со ско­ростью 0,5 - 0,75 D разлетаются в стороны по нормалям к свободным поверхностям заряда.

Рис. 7. Схема сварки взрывом плоских парал­лельно

расположенных элементов

При установившемся процессе сварки метаемая пла­стина на некоторой длине дважды перегибается и, если соединяемые поверхности перед сваркой были установлены параллельно друг другу, ее наклонный участок со ско­ростью v_к, равной D, движется за фронтом детонацион­ной волны, а участок на котором находится непродетонированная часть заряда ВВ, под действием сил инерции остается в исходном состоянии (рис. 8).

Рис. 8. Схема установив­шегося процесса соударения свариваемых пластин:

/ — фронт детонационной волны; 2 — фронт разлета про­дуктов взрыва ВВ; 3 — фронт волны разрежения; D — ско­рость детонации ВВ; v — ско­рость соударения пластин; v_к — скорость перемещения «динами­ческого угла встречи» соударяю­щихся пластин в направлении сварки; δ — толщина метаемой (верхней) пластины; δ_Н — тол­щина неподвижной пластины; H — толщина слоя ВВ

При этом они сооб­щают находящемуся за фронтом детонации участку металла импульс, под действием которого его элементарные объемы последовательно с ускорением движутся к поверх­ности неподвижной части металла и со скоростью v со­ударяются с ней.

Соударение свариваемых металлов, происходящее под некоторым углом γ, вызывает давление в десятки тысяч атмосфер. В местах прикосновения пластин появляется тангенциальная со­ставляющая скорости соударения в направлении движе­ния фронта детонационной волны, вследствие этого про­исходит совместное деформирование поверхностных слоев свариваемых листов. Окисные пленки и другие поверхностные загрязнения дробятся и рассредоточиваются со слоями деформирующего металла аналогично явлению при холодной сварке и частично уносятся в виде тонкой пыли под действием кумулятивного эффекта.

При сварке металлов взрывом происходит образование металлических связей.

Особенности процесса сварки взрывом следующие:

1. Сварное соединение образуется в течение миллион­ных долей секунды, т. е. практически мгновенно. Свар­ное соединение возникает вследствие образования метал­лических связей при совместном пластическом деформи­ровании свариваемых поверхностей металла. Малая про­должительность сварки предотвращает возникновение диффузионных процессов. Эта особенность процесса поз­воляет сваривать металлы, которые при обычных процес­сах сварки с расплавлением металлов образуют хруп­кие интерметаллические соединения, делающими непри­годными швы к эксплуатации.

2. Можно получать соединения не­ограниченной площади. При этом процесс сварки осуще­ствляется тем легче, чем больше отношение площади соеди­нения к толщине метаемой части металла. Осуществлены соединения площадью 15 - 20 м².

На рис. 9, а - д представлены технологические схемы сварки взрывом:

а - сварка трех и многослойных плоских соединений одновременно одним зарядом ВВ; б - при­варка двух наружных слоев к листу взрывом из одной точки двух зарядов ВВ; в - наружная облицовка цилин­дрических тел кольцевым зарядом ВВ; г - сварка би­металлических цилиндрических заготовок переменного диаметра для изготовления из разнородных металлов бес­ступенчатых трубных переходников; д - приварка труб к трубным решеткам теплообменников.

Рис. 9. Технологические схемы сварки взрывом соединений различ­ного типа:

1 - детонатор; 2 - заряд ВВ; 3 - метаемые пластины; 4 - неподвижная пластина;

5 - подложка; 6 - грунт; 7 - металлическая призма или конус для центрирования заготовок и направления фронта детонационной волны; 8 - облицовываемый

цилиндр; 9 - метаемая труба; I0 - центрирующая шайба; 11 - трубная решетка;

12 - трубка; 13 - буферная пластмассовая цилиндрическая вставка

Подготовка изделий под сварку. Заготовки не должны иметь значительного прогиба. Допускается прогиб не более 2—3 мм на 1 м длины. Поверхности свариваемых металлов должны быть зачищены до металлического блеска, для титана и сталей аустенитного класса допу­скается травление свариваемых поверхностей.

Непосред­ственно перед сваркой соединяемые поверхности обезжи­ривают, так как наличие следов масел препятствует обра­зованию сварного соединения. Зазоры между плоскими свариваемыми заготовками устанавливаются с помощью про­волочных штырей, для цилиндрических заготовок ис­пользуются специально выточенные центрирующие ко­нусы и шайбы (рис. 9, в). Для зарядов ВВ, обычно насыпных, из картона де­лают контейнеры заданных размеров.

Сварку осуществляют на открытых полигонах, если масса заряда достигает десятков и сотен килограммов, либо в специальных производственных помещениях в ва­куумных камерах, если масса заряда ВВ не превышает нескольких килограммов. Использование вакуумных ка­мер предотвращает разрушающее действие и даже зву­ковой эффект.

Сварные соединения обладают достаточно высокими свойствами; так, предел прочности соединений при срезе сталей 12Х18Н9Т и СтЗ равен 54 - 57 кгс/мм² (52,9 - 558 МН/м²), стали 12Х18Н9Т и меди МЗ - 16,8 кгс/мм² (164,5 МН/м²), стали 12Х18Н9Т и алюминия АДН - 7,2 кгс/мм² (70,5 МН/м²). При испытаниях разрушение образцов, как правило, происходило по наименее проч­ному металлу пары на некотором расстоянии от плоскости соединения.

Измерением микротвёрдости сварных соеди­нений выявлено упрочнение зон соединения шириной 10 - 100 мкм.

Малая продолжительность процесса сварки, которая длится микросекунды, даже при некотором повышении температуры поверхностных слоев металла, вызванном соударением и деформацией пластин, явно недостаточна для протекания диффузионных процессов. Вследствие этого в соединениях между разнородными металлами (Сu+Ti; Fe+Al; Fe+Си) отсутствуют интерметаллические составляющие. Таким образом, сварка взрывом позволяет получать, сварные соединения в твердой фазе без образования промежуточных химических составляю­щих между разнородными металлами и сплавами.

Разработка процесса сварки взрывом находится в на­чальной стадии и поэтому трудно определить области применения этого метода в будущем. Сварку взрывом используют при изготовлении заготовок для проката биметалла, при плакировке поверхностей конструкцион­ных сталей металлами и сплавами с особыми физическими и химическими свойствами, а также при сварке заготовок и некоторых деталей из разнородных металлов. Перспек­тивным представляется сочетание сварки взрывом со штамповкой и ковкой.