3.6. Сварка многослойных соединений и волокнистых армированных материалов
Сварка взрывом, как правило, применяется для соединения металлов с резко отличающимися свойствами. Однако такие соединения, подвергаясь при эксплуатации многократным и длительным нагревам, снижают свои прочностные характеристики из-за образования хрупких интерметаллидных фаз. Для предупреждения их охрупчивания с помощью сварки взрывом изготавливают соединения, содержащие, кроме основных металлов, прослойку из одного или нескольких металлов (50), не образующих интерме-таллидов с основными металлами. Таким образом, появилась необходимость создания многослойных соединений.
Сварка многослойных соединений возможна двумя способами:
последовательной наваркой каждого слоя отдельным зарядом ВВ по обычным схемам сварки биметаллов, рассмотренных раньше;
одновременной сваркой всего пакета за один подрыв, что представляется более технологичным.
Трудность одновременной сварки заключается в сохранении оптимальных режимов на всех соединяемых слоях, так как по мере нарастания сваренных слоев скорость метания пакета уменьшается. Из закона сохранения импульса можно рассчитать скорость метания на любом слое свариваемого образца (36)
где Vп-1 — скорость движения пакета из (п—1) сваренных слоев, п — рассматриваемый слой свариваемого пакета.
Выражение (47) удобней представить в виде:
Это выражение накладывает ограничения на соотношения масс свариваемых пластин, так как числитель левой части (48) определяется минимально допустимой скоростью метания, при которой обеспечивается оптимальная прочность соединения, знаменатель определяется максимально возможной скоростью метания, при которой еще не наступает снижение прочности. Если соотношение (48) выполняется, то расчет технологических параметров проводят по методике, изложенной в 2.4, причем, Vмах приравнивают V1.
Для проведения сварки все свариваемые пластины собирают в пакет с зазорами, примерно равными толщинам свариваемых слоев, а контейнер с ВВ устанавливают на верхнюю пластину.
Если соотношение (48) не выполняется, то применяют один из следующих путей.
А. В качестве метаемой применяют фальшпластину, масса которой определяется из соотношения:
Между фальшпластиной и верхней пластиной свариваемого пакета необходимо ввести специальный демпфирующий слой, который переводит соударение этих пластин в неупругое и одновременно предотвращает их сварку (рис. 12). В качестве демпфера можно применить вакуумную резину, 2—3 слоя ватмана, лейкопластыря, металлический порошок и т. п.
Б. Для сварки применяют схему без фальшпластины, но при расчете высоты заряда Vмах заменяют на Vп-1, а вместо массы метаемой пластины ставят значение суммы всех масс пластин без последней:
Необходимая для сварки скорость метания между отдельными слоями реализуется установкой соответствующих зазоров hi между пластинами, рассчитанными по формулам (10) и (11).
Этот способ позволяет добиться того, что скорость соударения в n-м слое будет при необходимости больше, чем в предыдущем, т. е. становится возможной регулировка скоростей метания от слоя к слою. Однако при малой толщине свариваемых пластин (меньше миллиметра) это способ непригоден из-за невозможности точной установки зазоров. Поэтому на практике применяют оба рассмотренных способа сварки.
Рассмотренные схемы сварки многослойных пакетов используются для получения волокнистых армированных материалов (51, 52).
Применение композиционных армированных материалов связано с бурным развитием авиационно-космической техники, где на первое место выдвигается снижение веса конструкции при сохранении высокой прочности даже вводится понятие «удельной» прочности — прочности на килограмм веса, которая измеряется в км [53, с. 131].
Для получения волокнистых композиционных материалов (ВКМ) сваркой взрывом собирается многослойный пакет из матричных листов, между которыми располагаются армирующие волокна. Сварка осуществляется массивной фальшпластиной, т. е. схема сварки отличается от представленной на рисунке 12 только наличием волокон в зазорах между свариваемыми слоями, которые надежно удерживают листы матрицы на расстоянии диаметра волокон друг от друга. Однако введение волокон не только упрощает сборку пакета, но и значительно влияет на поведение матричных слоев в процессе сварки.
Волокна, как правило, изготавливаются из высокопрочной проволоки с прочностью 2000—4000МПа, поэтому они не деформируются при сварке, и матричный материал вынужден продавливаться между ними, что изменяет условия соударения по сравнению со сваркой монолитных материалов. Степень влияния волокон на деформацию матрицы зависит от процентного наполнения: при наполнении до 3% сварка ВКМ не отличается от сварки монолитных материалов, хотя прочность таких композиций на 20% выше прочности матрицы; большее наполнение уже влияет на режимы сварки, причем становится небезразлично расположение волокон по отношению к направлению распространения процесса сварки. Расположение волокон вдоль распространения процесса более благоприятно для сварки. Это можно объяснить тем, что при этом существует возможность деформироваться металлу матрицы так, как это было изложено в параграфе 2.2, Расположение волокон поперек процесса периодически нарушает механизм деформации, обеспечивающий прочное соединение. Высказанное положение доказывается, например, тем, что при продольном расположении волокон оплавление матрицы наступает при значительно меньших скоростях метания, чем при их расположении поперек (52), т. е. концентрация энергии в зоне соединения в первом случае значительно больше (рис. 13).
Повышение степени наполнения матрицы волокнами приводит к значительному увеличению прочности ВКМ: для алюминиевой матрицы, армированной стальными волокнами с 10-процентным наполнением, прочность повышается в 3 раза, а удельная прочность достигает 9,35км против 3,7км для упрочненного взрывом алюминия (51). Теоретически при сварке взрывом можно достигнуть наполнения 78% (54), причем удельная прочность повысится до 23,5 км при прочности волокон 2000МПа, однако практически трудно собрать пакет с наполнением более 40%.
При сварке ВКМ исследователи особое внимание уделяют вопросу соединения волокна с матрицей, так как применение высокопрочных волокон и мягкой матрицы приводит к тому, что волокна не деформируются при сварке. Поэтому образование соединения между ними возможно только при оплавлении матрицы вокруг волокна (52), причем для развития процессов взаимодействия толщина оплавов должна превышать величину (52):
где Ет и Еж — соответственно энергии активации диффузии в твердой и жидкой фазах, к — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура, v — частота тепловых колебаний атомов, е — основание натуральных логарифмов, а — коэффициент температуропроводности.
Для сочетаний металлов, склонных к образованию между собой интерметаллидов, время взаимодействия жидкого расплава с волокном не должно превышать времени задержки образования интерметаллидов, поэтому толщина не должна превышать величину:
где Еар – энергия активации зарождения интерметаллидов.
Зависимость изменения прочности между волокном и матрицей для пары алюминий — сталь представлена на рисунке 14 (52). В соответствии с худшими условиями для оплавления металла матрицы при расположении волокон поперек распространения процесса образование соединения между волокнами и матрицей в этом случае происходит при более высоких энергиях соударения.
Изложенные принципы сварки ВКМ позволяют предложить следующую последовательность создания ВКМ:
в соответствии с требованиями конструкции определяют материалы матрицы и волокон;
рассчитывают требуемую степень наполнения;
определяют минимальную и максимальную толщину оплавов;
проводят расчет режимов из условия создания в сварном соединении не более чем в количестве hмах оплавов;
рассчитывают технологические режимы — размеры фальшпластины, величину заряда и исходного зазора между фальшпластиной и первым слоем пакета, обеспечивающего требуемую скорость метания.