Лекция 1. Сварка взрывом. Введение

Применение энергии взрыва в промышленности известно с конца прошлого века. Уже в 1888г. Ч. Монро выдавливал сложные узоры на железных плитах с помощью зарядов пироксилина, в 1898г. в Англии был выдан патент № 21840 на раздачу велосипедных втулок зарядом взрывчатого вещества, в 1909г. в США был выдан патент на способ штамповки взрывом [1–5]. Следующие 50 лет применение энергии взрыва связано со штамповкой [3].

Первые сообщения о сварке взрывом появились в конце 50-х годов прошлого века и за одно десятилетие этот способ соединения стал равноправным среди других. С его помощью стали получать высокопрочные соединения металлов, которые практически не соединяются другими способами (например, меди с молибденом, свинца со сталью и т. п.), а соединения, прочность которых при сварке традиционными способами не превышала 0,3—0,5 от прочности слабейшего металла пары (соединения титана, алюминия, циркония со сталью), обладают прочностью, превышающей прочность слабейшего металла. Образование соединения при сварке взрывом происходит в результате высокоскоростного соударения металлов, причем перемещение соединяемых элементов осуществляется под действием расширяющихся продуктов взрыва [4,5], что и послужило основанием для ее названия. Для проведения сварки взрывом не нужны дорогостоящие мощные прессовые, вакуумные и нагревательные установки, без которых соединение большинства разнородных металлов традиционными способами невозможно.

Наряду с этими преимуществами сварка взрывом имеет определенные недостатки, основные из которых — процесс сварки непосредственно связан с применением и хранением взрывчатых веществ, часть энергии взрыва воздействует на окружающую среду в виде ударных волн, сварка взрывом трудно поддается автоматизации. Эти недостатки сдерживают применение сварки взрывом, хотя достигнутые успехи так велики, что технологи все чаще обращаются к ее помощи, и сварка взрывом постепенно становится промышленным методом.

Целью данного курса является вооружение молодых специалистов сварочного производства знаниями основных принципов, схем, приемов и режимов сварки и резки металлов взрывом.

Изложение ведется по материалам, опубликованным в открытой печати, и на базе достижений, полученных в Волгоградском политехническом институте.

1. Основные принципы, схемы и параметры сварки взрывом

1.1. Сварка взрывом как разновидность сварки давлением и принципиальная схема ее осуществления

По формальному признаку и, как будет показано, по существу сварка взрывом относится к способам сварки давлением (5, с. 363), для осуществления которой необходимы (6): а) физический контакт по всей поверхности соединения, б) значительная пластическая деформация соединяемых поверхностей, в) повышение температуры, значительно снижающее необходимое время сварки. При соединении металлов взрывом выполняются все эти условия:

• полный физический контакт соединяемых поверхностей достигается за счет высокоскоростного соударения;

• соударение металлов осуществляется таким, образом, чтобы в зоне соединения протекала значительная пластическая деформация, что подтверждается повышением твердости металлов в зоне соударения (рис. 1а), относительным перемещением их слоев по глубине, приобретением волнообразного профиля контактирующих поверхностей (рис. 1б);

• повышение температуры металлов в процессе их сварки бесспорно, так как 90—95% работы, затраченной на пластическую деформацию, переходит в тепло (7, с. 162); доказательством существования высоких температур служит также появление оплавленных участков в зоне сварки при определенных режимах соударения (8).

Все перечисленные условия достигаются тем, что металлы соударяются не по всей поверхности сразу, а под углом друг к другу (см. рис. 2а, б). При этом соударение пластин начинается по линии, после чего область соударения посте­пенно увеличивается — пластины как бы «накатываются» друг на друга. Промежуточное положение такого соударения показано на рис. 2б, е: АК — участок, где соударение уже произошло, КL и КМ. — свободные поверхности, которые при дальнейшем сближении пластин также приходят в обоюдный контакт. При сварке взрывом такая ситуация возникает, когда заряд взрывчатого вещества ВВ располагается на внешней стороне одного или обоих соединяемых элементов и инициирование заряда производится с одного из концов последнего (рис. 2в, г, д). При таком инициировании детонационная волна скользит по поверхности пластины, и образующиеся, за ней продукта взрыва последовательно приводят в движение отдельные участки этой пластины. В результате такого взрывного нагружения пластина поворачивается относительно своего первоначального положения и соударяется со второй пластиной под углом (рис. 2е). Перемещающаяся пластина называется метаемой, вторая — неподвижной.

На контактирующем участке АК высокоскоростной удар вызывает резкое повышение давления, которое распространяется вглубь металлов со скоростью, близкой к скорости звука в свариваемых металлах С_к (9, с. 577—579). Если эта скорость больше скорости «накатывания» (С_к>V_к), область высокого давления обгоняет фронт соударения (точку К на рис. 2е) и выходит на свободные поверхности КL и КМ. Перепад давлений на свободной поверхности и внутри металла приводит к пластической деформации последнего в окрестностях зоны соударения, и последующее накатывание приводит в контакт уже продеформированные участки металла, что и обеспечивает сварку. Если скорость «накатывания» превышает скорость распространения области высокого давления (V_к>С_к), последняя не успевает обогнать фронт соударения пластин, пластины соударяются недеформированными, и сварки не происходит (10, с. 52). Таким образом, сварка взрывом является, разновидностью сварки давлением.

Принципиальная схема, обеспечивающая получение сварного соединения, представлена на рис. 2г и д. При этом свариваемые пластины устанавливаются на некотором расстоянии друг от друга, на наружной поверхности одной из них располагается заряд ВВ, который инициируется с одного из его концов так, чтобы детонационная волна скользила вдоль поверхности пластины, приводя в движение последовательные ее участки так, чтобы соударение пластин происходило под углом друг к другу и пластины «накатывались» одна на другую.