Спец виды сварки лекции / Сварка взрывом

Сварка взрывом - новая и перспективная разновидность сварки давлением, вызывает большой интерес инженеров-практиков самых различных отраслей.

В области теории процесса исследования выполнялись в ИЭС им. Е.О. Патона, Волгоградском политехническом институте, Белорусском республиканском НПО порошковой металлургии, НПО "ЦНИИТмаш" и др.

Сварка взрывом - процесс получения соединений под действием энергии, выделяющейся при взрыве заряда взрывчатого вещества (ВВ).

Несмотря на мгновенное протекание сварки взрывом (продолжительность порядка 10~6 с) в области соударения успевают произойти процессы, необходимые для образования новых атомных связей и прочного соединения металлов.

Эти процессы можно регулировать путем изменения параметров соударения пластин и подбором соответствующих ВВ. Сваркой взрывом можно получать соединения из разнообразных металлов и сплавов, что является - одним из ее достоинств. Номенклатура металлов, сваренных взрывом, достаточно широка (около 100 сочетаний) и постоянно расширяется.

Сварка взрывом находится сейчас в стадии разработки. Сварку взрывом используют при изготовлении заготовок биметалла, при плакировке поверхности конструкционных сталей металлами и сплавами с особыми физическими свойствами, а также при сварке заготовок и деталей из разнородных металлов.

Схема сварки взрывом имеет следующий вид.

В качестве ВВ используются гранулированные аммониты, имеющие скорость детонации D=3000-4000 м/с.

В момент взрыва вдоль слоя ВВ распространяется плоская детонационная волна, при этом продукты взрыва сообщают находящемуся за фронтом детонации участку металла импульс, под действием которого элементарные объемы с ускорением движутся к поверхности неподвижной детали и со скоростью V соударяются с ней.

Соударение свариваемых металлов происходит под некоторым углом , вызывает давление в десятки тысяч атмосфер. В местах соприкосновения пластин происходит совместное деформирование поверхностных слоев. Деформирование имеет характер вязкого течения и способствует тесному сближению свариваемых поверхностей.

- Так как скорость детонации ВВ конечна, точка контакта свариваемых пластин перемещается вдоль поверхности неподвижной пластины с конечной скоростью V_KS D.

- Площадь метаемой пластины, как правило, больше площади основной пластины, чтобы уменьшить влияние эффекта бокового разлета продуктов взрыва при детонации плоского заряда.

Скорость соударения пластин V достигает порядка нескольких сотен метров в секунду, а в зоне соударения развиваются давления порядка 10⁵ атм (10⁴ МПа).

В следствии высоких скоростей соударения и давлений в зоне контакта происходит очистка поверхностей, их активация и образование соединения. Давление при сварке должно быть больше Р_min.

Минимальное давление, необходимое для сварки некоторых металлов:

Металл

AL

Cu

Fe

Давление при сварке Р, МПа

630

2460

6000

_т, МПа

30

170

240

С оединение (макрошлиф) обычно имеет характерную волнообразную форму (а), но могут встречаться соединения и без волнообразования (б):

Окисные пленки и другие поверхностные загрязнения дробятся и рассредоточиваются со слоями деформируемого металла.

Величина среднего-давления Р, развивающегося в зоне сварки, зависит от скорости V соударения пластин и свойств металла:

, где D – скорость детонации ВВ;

_ВВ – плотность ВВ;

_В – плотность металла верхней (метаемой) пластины.

Физические явления, сопутствующие сварке взрывом, структура и свойства соединений в значительной степени зависят от основных параметров сварки взрывом:

• Кинематические параметры:

- скорость движения точки контакта V_K

- скорость метания пластины Уд

- угол соударения (динамический угол встречи) у.

• Физические параметры:

- давление Р

- длительность соударения

- температура в зоне соударения Т.

Скорость движения точки контакта V_K при начальном параллельном расположении пластин равна D: V_K =D.

Для обеспечения соединения при сварке взрывом необходимо соблюдать условие V_K<Со, где Со - скорость звука в соединяемых металлах, т.е. D<Со, где , где Е - модуль упругости; р - плотность.

Основные параметры определяют технологические параметры процесса:

1 - скорость детонации D, характеризующую ВВ

'2 - безразмерный параметр r=m_ВВ/m_пл, где m_ВВ - масса ВВ;

m_пл - масса метаемой .пластины

3 - h - сварочный зазор

4 - микрорельеф поверхностей

5 - физико-механические характеристики свариваемых металлов,

ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА.

Источником энергии при сварке взрывом служат ВВ, при этом энергия химического превращения ВВ переходит в механическую энергию метания, затрачивается на нагрев окружающей среды, создание в ней ударных волн.

ВВ представляют собой сравнительно неустойчивые химические соединения, которые под действием внешних факторов (давления и температуры) способны к мгновенным экзотермическим реакциям, превращающим их в сильно разогретый плотный газ.

Возбуждение химической реакции в ВВ осуществляется ударной волной, а интенсивность ее и стационарность всего детонационного процесса поддерживается энергией химической реакции за фронтом ударной волны.

Параметром ВВ, определяющим свойства ВВ, является скорость детонации.

Скорость детонации зависит от:

1 - теплоты взрывчатого превращения (Q)

, где k<3 - показатель адиабаты продуктов взрыва

2 - физические характеристики заряда:

- диаметр (толщина)

- плотность

- агрегатное состояние

- размеры частиц

- влажность

- наличие оболочки.

Сварка взрывом выдвигает ряд специфических требований к ВВ.

1 - Скорость детонации должна быть меньше скорости звука в соединяемых металлах Со и находиться в пределах от 1500 м/с до Со:

1500 < Р < Ср.

2 - В плоских зарядах ВВ большой площади и малой толщины должна быть обеспечена стабильность детонации, т.е. ddкр. С увеличением d (диаметра), толщины заряда скорость детонации повышается, достигая максимального значения при некотором предельном d, различном для разных ВВ.

3 - ВВ должны быть максимально безопасными в обращении, недорогими и сохранять стабильность свойств в течении определенного времени.

Этим требованиям удовлетворяют:

• порошкообразные смеси ВВ на основе тринитротолуола (тротила ТНТ) и аммиачной селитры NH₄NO₃.

• аммонит 6ЖВ с гранулированной аммиачной селитрой (АТ-1, АТ-2, АТ-3).

• трехкомпонентные смеси ТНТ - NH₄NO₃ - NaСl (А-40, А-50) .

Скорость детонации этих зарядов (D) зависит от их толщины, состава, грануляции, влажности и т.д.

ПАРАМЕТРЫ ВВ

Тип ВВ	Критический диаметр, мм	Насыпная плотность, 103кг/м3	Скорость детонации, м/с
Аммонит 6ЖВ	10-12	0,85-1,0	3600-4800
Аммиачная селитра NH4NO3	10-12	0,85-0,9	1800
Аммоний + NH4NO3 в соотношении 1:3 1:6	20-22 70-80	0,8-0,9 0,8-0,9	2200-3600 2000-2700

Инициирование взрыва в заряде осуществляется тремя способами:

1. детонатором (капсулем-детонатором или электродетонатором)

2. детонатором через детонирующий шнур

3. детонатором через боевик.

- Детонатор изготавливается на основе чувствительных к тепловым и механическим воздействиям ВВ (гремучей ртути Нg(ОNС)₂ или азида свинца РbN₂) с критическим диаметром 0,01-0,02 мм.

- В последнее время разработаны высоковольтные детонаторы без инициирующих ВВ (для подрыва требуется U=10000В, которое создается взрывной машинкой типа ВМ-4).

- Детонирующий шнур содержит (12-13)х10^-3 кг/м ВВ, скорость детонации 6500-7000 м/с.

- В качестве боевика обычно используется аммонит или тротиловые шашки.

Высокие давления и скорости деформации, чрезвычайно интенсивный локальный нагрев и быстрый теплоотвод в зоне соединения существенным образом влияют на структуру металлов и протекающие в них процессы. Независимо от вида свариваемых металлов следует различать три типа соединений, получаемых при различных значениях параметров процесса:

1. Первый тип соединений характеризуется прямой или синусоидальной границей без образования участков литой или кристаллизационной структуры. Этот тип соединений характерен для не очень интенсивных скоростей соударения и напоминает соединения, полученные холодной сваркой.

2. Второй тип - с ярко выраженным волнообразованием и наличием вихревых зон. В этих зонах обычно наблюдаются участки закристаллизовавшегося расплава с дендритной структурой и усадочными раковинами, рыхлостями. При соединении разнородных металлов в вихревых зонах происходит перемешивание металлов.

3. При форсированных режимах (увеличение скорости перемещения динамического угла встречи Vк и динамического угла встречи ) зоны расплавов расширяются до образования непрерывного слоя вдоль всей границы контактирования. Соединения с непрерывным слоем расплава относятся к третьему типу.

Общим свойством всех соединений, полученных сваркой взрывом, является заметное упрочнение металлов вблизи контактных поверхностей.

Все полученные сваркой взрывом соединения можно разделить на 4 основные группы:

1 - соединения однородных металлов;

2 - металлы, образующие твердые растворы:

углеродистая сталь - коррозионностойкая сталь,

никель - медь,

никель и его сплавы - коррозионностойкая сталь.

3 - соединения металлов, имеющих ограниченную растворимость:

сталь - серебро,

сталь - медь и ее сплавы.

и нерастворимые в жидком состоянии:

сталь - свинец,

молибден - медь,

вольфрам - медь.

4 - соединения металлов, образующие при взаимодействии новые химические соединения:

сталь - алюминий и его сплавы,

сталь - титан,

сталь - цирконий,

сталь - ниобий.

На практике для определения режимов сварки разнородных металлов с большими различиями в физико-химических свойствах проводят серию опытов, что дает возможность подобрать _В (варьируя V_К).

Особенности процесса сварки взрывом следующие:

1. Сварное соединение образуется в миллионные доли секунды, т.е. практически мгновенно.

2. Малая продолжительность сварки предотвращает возникновение и протекание диффузионных процессов, что позволяет сваривать металлы, которые при обычных процессах сварки с расплавлением образуют хрупкие интерметаллические соединения.

3. При сварке взрывом можно получить соединения неограниченной площади. При этом процесс сварки осуществляется легче, чем больше отношение площади соединяемой части к толщине метаемой части металла. В настоящее время осуществлены соединения площадью до 15-20 м2.

Сварка взрывом начинает применяться для стыковых и нахлёсточных соединений, для получения из порошков монолитных металлов и сплавов. Затруднена сварка малопластичных и хрупких материалов (чугун, высокопрочные титановые сплавы).

Заготовки перед сваркой не должны иметь значительного прогиба, не более 2-Змм на 1м длины. Поверхности должны быть зачищены до металлического блеска, для титана и аустенитных сталей допускается травление свариваемых поверхностей.

Непосредственно перед сваркой соединяемые поверхности обезжириваются, т.к. наличие масляных пленок препятствует образованию сварного соединения.

Зазоры между плоскими свариваемыми заготовками устанавливаются с помощью проволочных штырей. Сварку осуществляют на открытых полигонах при мощных зарядах ВВ в несколько сотен кг, или в специальных производственных помещениях (вакуумных камерах).

Технологические схемы сварки взрывом различных соединений имеют следующий вид:

а) сварка многослойных соединений

б) наружная облицовка цилиндрических тел

кольцевым зарядом

в) приварка труб к трубным решеткам теплообменников

Схема взрывного плакирования внутренних поверхностей.

1. заготовка основного металла;

2. плакирующая обечайка;

3. детонирующий шнур;

4. электродетонатор;

5. рабочий заряд ВВ;

6. вспомогательный заряд ВВ;

7. подставка (торы).

Металлические взрывные камеры.

Для локализации продуктов взрыва и поражающих факторов. В НПО "АНИТИМ" разработаны и изготовлены тонкостенные камеры =5-10мм для лабораторных работ и рассчитанные на ВВ=0,25-5кг массы, диаметр Зм.

В ФРГ создана камера V=600м3 со столом 6х3 м, а в России камера 10,5м введена в опытно-промышленную эксплуатацию (m_ВВ50кг).

Пироструйный резак (ПСР) (СКТБ "ТЕХНОЛОГ", г. С. Петербург)

Резка конструкционных материалов струей продуктов сгорания пиротехнических составов предназначена для резки стальных тросов, арматуры, кабелей и других видов работ. От других средств резки .(электродуговая, плазменная, газокислородная и т.д.) отличается независимостью от внешних источников энергии, автономностью и небольшой массой.

1. воспламеняющее устройство

2. корпус

3. заряд ПС

4. сопло

ПСР могут использоваться при аварийно-спасательных работах, в наземных условиях и под водой.

Температура струи составляет 3000-3300 °К. Процесс резки идет по тепловому механизму, в условиях "сложной теплоотдачи". При ПС=100г способны разрезать стальную арматуру 25-З0мм.