книги из ГПНТБ / Биметаллические трубы

Для процесса сварки металлов взрывом используются промышлен­ ные и специальные типы бризантных взрывчатых веществ: тринитро­ толуол (тротил), аммониты В-3, 6ЖВ с разным процентом содержа­ ния селитры. Первое й необходимое условие для стабильного раз­ вития взрыва в канале трубы — это установление границ предельно устойчивой скорости детонации при заданных геометрических раз­ мерах заряда [64—67].

Применительно к условиям развития взрыва в канале трубы пре­ дельно устойчивую детонацию в. в. определяют диаметр заряда, его плотность, величина кристаллов в. в., наличие оболочки. С уве­

необходимо установить область устойчивого процесса детонации, предварительно ориентируясь на значения критического и пре-, дельного диаметра зарядов в. в.

Для экспериментальной оценки размеров в. в., обеспечивающих устойчивый процесс детонации, были поставлены опыты с удлиненно­ цилиндрическими зарядами из тротила и аммонита В-3. Постоянными величинами были длина заряда 200 мм и плотность наполнения заря­ дов 1,2 г/см3 (табл. 21).

Как видно из табл. 21, устойчивый процесс детонации обеспечи­ вают заряды из тротила диаметром 18 мм и аммонита В-3 диаметром 22 мм.

Существенную роль в устойчивости процесса детонации играет плотность заполнения заряда в. в., так как от нее зависит скорость его детонации. С увеличением плотности скорость возрастает, что повышает давление в продуктах в. в. Однако повышение плотности заряда в. в. (при постоянном его диаметре) выше предельного значе­ ния может привести к неполной детонации в. в., а иногда и к полному

141

отказу. Были проведены опыты по определению оптимальной плот­ ности заряда при постоянном его диаметре. В экспериментах исполь­ зовали удлиненно-цилиндрические заряды диаметром 20 мм для тро­ тила и 22 мм для аммонита В-3. Как видно из табл. 22, оптимальная плотность для зарядов обоих видов в. в. составляет 1— 1,25 г/см3.

Кроме изложенных выше методов по определению границ пре­ дельно устойчивого процесса детонации, существует ряд других, по­ зволяющих непосредственно в процессе взрыва фиксировать скорость распространения детонации.

На рис. 70 приведены типичные фотограммы детонации аммонита. При добавлении в стандартный аммонит 85% аммиачной селитры, фотограмма фиксирует резкое падение скорости детонации (излом наклона регистрирующей линии и падение давления на фронте).

Возбужденная в обычных условиях детонационная волна удовле­ творяет условию Чепмена-Жуге, т. е. течение за фронтом детона­ ционной волны имеет скорость звука. Максимальное действие взрыв­ чатых веществ проявляется лишь на близких расстояниях от места взрыва, где давление и плотность продуктов взрыва еще достаточно

142

велики. С удалением от места взрыва механические эффекты значи­ тельно снижаются вследствие резкого падения давления, скорости и изменения других параметров продуктов взрыва. При взрыве

массовая скорость и, давление Ри, плотность за фронтом pL— могут быть вычислены, если известна начальная плотность р0, скорость детонации D* и безразмерная постоянная величина k — показатель

адиабаты продуктов взрыва. Для конденсированных типов в. в. по­ казатель адиабаты принимается равным 3. Выражение по определению параметров детонационной волны в этом случае примет вид:

Р - Арк,

где А — постоянная величина.

Для предотвращения прямого воздействия продуктов в. в. на поверхность метаемого металла используются различные инертные среды. Однако применение инертных прослоек недостаточно для того, чтобы сохранить исходную поверхность деформируемого ме­ талла. Существенное влияние на качество поверхности оказывает степень измельчения взрывчатого вещества. Требования к опреде­ ленной кондиции кристаллов в. в. вытекают из условий развития детонации сплошным фронтом по массе в. в. С уменьшением разме­ ров кристаллов в. в. значения предельного и критического диаметров уменьшаются и граница между ними сужается, что объясняется соответствующим сокращением ширины зоны реакции во фронте

143

детонационной волны [48]. Эта зависимость имеет общий характер как для однородных, так и для смесевых в. в.

суменьшением величины кристаллов до 0,05—0,001 мм значения dnp

иdKр составят соответственно 5,5 и 9,0 мм.

Непосредственное отношение к рассматриваемому вопросу имеет факт аномально высокой скорости детонации. Проявление аномально высокой скорости объясняется тем, что если в массе в. в. имеются кусочки, размеры которых превышают значения критических диа­ метров, то они детонируют самостоятельно как отдельные элементар­ ные заряды. Детонация в этом случае распространяется не сплош­ ным фронтом, а передается от одного, элементарного заряда к дру­ гому со скоростью, свойственной им при данной плотности. Если же кусочки имеют диаметр меньше критического, то они не способны детонировать, как отдельные заряды, и' детонация в этом случае будет распространяться сплошным фронтом. Это обстоятельство яв- 'ляется важным условием при выборе типов в. в. для сварки метал­ лов взрывом.

В случае порошкообразных типов в. в. не исключена возмож­ ность, что в процессе их эксплуатации размеры отдельных кусоч­ ков в. в. (результат перепрессовки, слежания) будут превышать зна­ чения критических диаметров данного типа в. в. Плотность этих отдельных элементарных зарядов в общей массе в. в. значительно превышает насыпную плотность всего заряда. Следовательно, дето­ нация этих кусочков будет большей по отношению к детонации всего заряда. С ростом скорости детонации резко повышается давление в продуктах в. в. Другими словами, в объеме в. в. будут искусственно созданы локальные очаги повышенного давления. В местах локали­ зации повышенного импульса давления на поверхности металла обра­ зуются глубокие вмятины, рванины.

- Таким образом, при выборе оптимального типа в. в. для сварки металлов в первую очередь следует соблюдать соответствие их сле­ дующим требованиям:

должен гарантироваться устойчивый процесс детонации при за­ данных геометрических размерах заряда в. в. и его начальной плот­ ности;

процесс детонации в массе в. в. должен распространяться сплош­ ным фронтом, что достигается использованием в. в. с определенной крупностью кристаллов;

в. в. должно быть простым в эксплуатации и обладать малой чув­ ствительностью к механическим воздействиям.

В соответствии с этими требованиями для сварки металлов взры­ вом определены следующие типы в. в. (табл. 23).

Для надежной защиты поверхности деформируемого взрывом ме­ талла от непосредственного воздействия продуктов в. в., как уже упоминалось, применяют различные, инертные среды. Применение инертных пластичных сред в известной мере позволяет регулировать

144

величину взрывного импульса. В качестве инертных заполнителей используются мелкодисперсные каолиновые глины, технический пла­ стилин, парафин, эластичные полихлорвиниловые оболочки. В от­ дельных случаях поверхность металла предохраняется резиной.

К инертному заполнителю предъявляются следующие требования: надежная защита поверхности металла от действия продуктов; технологическая простота введения его в канал трубы; плотное прилегание к внутренней поверхности трубы с целью

обеспечение возможности размещения заряда в. в. строго по оси трубы;

легкое удаление нагара, образуемого при сгорании инертного заполнителя; —■дешевизна и недефицитность.

Для удаления остатков инертных масс с поверхности полученных сваркой взрывом биметаллических труб используются различные способы. Ниже на примере биметаллических труб сталь ЭИ695Р + + медь приведены данные по очистке поверхности химическим и ме­ ханическим способами.

плав при температуре 420—450° С и выдерживают в течение 10 мин. Затем трубы промывают холодной водой и подвергают кислотному травлению для удаления окисных пленок и осветления поверхности. После промывки поверхность труб приобретает блестящую поверх­ ность, лишенную каких-либо дефектов.

2. М е х а н и ч е с к и й с п о с о б о ч и с т к и — о п е с к о - с т р у и в а н и е . При этом способе используется песок фракции до 0,5 мм, давление воздуха в камере 4—5 ат. Длительность опескоструивания определяется маркой плакирующего слоя.

Выбор оптимального инертного заполнителя диктуется не только соображениями сохранения качества исходной поверхности. Исполь­ зуя различные типы инертных заполнителей, в достаточной мере можно регулировать величину взрывного импульса, предотвращая тем самым чрезмерную деформацию всей трубы.

Этим требованиям отвечают мелкодисперсные глины и эластич­ ные оболочки (для труб малого диаметра), а при изготовлении труб большого диаметра может быть использована жидкость (вода).

Г л а в а IV

ДЕФОРМАЦИОННЫЕ И ЭНЕРГОСИЛОВЫЕ УСЛОВИЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ

При разработке технологического процесса производства биметал­ лических труб и выборе основного оборудования необходимо опре­ делить потребную мощность последнего. Ниже рассматриваются энер­ госиловые и деформационные условия производства биметаллических труб.

УСЛОВИЯ ГОРЯЧЕГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

Скорости истечения и деформации и усилия при прессовании

Прессование биметаллических труб большинства сочетаний метал­ лов осуществляют при больших скоростях и деформациях. Это не­ обходимо учитывать при расчете истинного сопротивления дефор­ мированию металла.

В работах [49—51 ] приводятся формулы для определения дефор­ мированного и напряженного состояний и усилий при прессовании

биметаллических труб, однако большинство из них не учитывает целого ряда факторов. В работе [51 ] особенности процесса прессо­ вания биметаллических труб учтены более полно.

Рассмотрим скоростные и силовые условия прессования биметал-' лических труб из двухслойных заготовок (рис. 71). Для упрощения решения задачи принята схема жесткопластического тела и гипо­

146

теза плоских сечений, пластическая деформация ограничена геометри­ ческим очагом деформации. Правомочность этих допущений подтвер­ ждается рядом исследований [52, 53].

Металл в контейнере и цилиндрической части матрицы переме­ щается со скоростью прессования и скоростью истечения соответ­ ственно.

Пластическая деформация обоих слоев происходит в основном на коническом участке очага деформации, при этом граница между слоями изменяется по конической поверхности.

Для многих сочетаний металла характерна пропорциональная де­ формация сечений слоев двухслойной заготовки при прессовании из них биметаллических труб, т. е. для обоих слоев осевые деформации одинаковы.

Задача решается в цилиндрической системе координат. Введем следующие обозначения:

R 1— радиус оправки, мм;

R 2 — наружный радиус трубы, мм;

R з ■— внутренний радиус втулки контейнера, мм;

Rpl и Rp2— радиусы раздельной поверхности двухслойной за­ готовки в подпрессованном состояний и биметал­ лической трубы, мм;

2а0 —■угол конусности матрицы, град.; 2схр — угол конусности раздельной поверхности в очаге

деформации, град.;

/і, / и L — соответственно, ’высота цилиндрического пояска матрицы, очага деформации (конической части матрицы) и двухслойной заготовки в подпрессо­ ванном состоянии, мм.

При пропорциональной деформации слоев коэффициент плакиро­ вания сохраняется постоянным. Тогда в очаге деформации его можно

где Z — переменная координата по оси истечения металла. Коэффициенты вытяжки в сечении, находящемся на расстоянии Z

от начала координат, для обоих слоев равны*

Осевая компонента скорости перемещения металла в любом по­ перечном сечении Z конического очага деформации

Решая его, получим

Для граничных условий, когда r= R, a vr= 0, y(Z) = Щ- R\, тогда

Зная ѵп определяем компоненты скорости деформации металла при прессовании:

b = - ^ ( r 2 + Ri);

Ъе = - - ^ т ( г * - Я ) -

148

Скорость деформации сдвига может быть определена из выра­ жения

■дѵг дѵг ~дГ

Уравнения (30)—(33) полностью определяют тензор скоростей дефор­ мации для данной осесимметричной задачи.

Аналитическое определение усилий прессования

Для определения усилий прессования использован энергетиче­ ский метод — определение полной мощности, необходимой для осу­ ществления прессования биметаллических труб из двухслойных за­ готовок [54]. С учетом работы деформации в обоих слоях заготовки полная мощность

149

Мощности внутренних сил в деформируемых объемах слоев опре­ деляют из уравнений:

Примем, что в случае прессования труб продольное и радиальное направления являются главными направлениями скоростей дефор­ мации. Тогда максимальное значение главной скорості деформации сдвига можно определить с помощью выражений (30, 32) для компо­

Подставив соответствующие значения Я и т]тах из уравнений (36, 38) в уравнения (34, 35), после интегрирования и преобразований получим

NBHl = 2,16т5іПпЯ (R I — RI) X

150