3.7. Особенности сварки цилиндрических заготовок

Сварка взрывом цилиндрических образцов (биметаллические трубы, стержни, трубчатые переходные элементы) выделена в отдельный раздел, так как, несмотря на общность принципов образования соединений и качественное повторение принципиальной схемы, имеются значительные отличия в количественных результатах при сварке с одинаковыми технологическими параметрами. Наблюдаемые отличия всецело объясняются наличием исходной кривизны свариваемых заготовок.

Принципы образования соединения остаются прежними: необходима определенная скорость метания, с которой трубы соударяются в процессе сварки, необходима скорость контакта, с которой процесс сварки распространяется вдоль свариваемых труб, причем эта скорость должна быть меньше скорости распространения звука в свариваемых металлах. Для обеспечения этих условий свариваемые трубы устанавливают коаксиально с некоторым зазором между ними, а вот взрывчатое вещество можно расположить либо снаружи внешней трубы в виде кольцевого заряда, либо внутри меньшей из них в виде цилиндра, ось которого совпадает с осью свариваемых труб. Естественно, в первом случае после подрыва заряда наружная труба обжимается вокруг внутренней, а во втором — внутренняя труба под действием давления продуктов взрыва раздается в размерах и изнутри ударяет по наружной трубе. В соответствии с этим схемы сварки труб разделены на два вида (5, с. 374):

• сварка обжатием труб наружным зарядом;

• сварка раздачей внутренней трубы.

Первый вид сварки более технологичен (упрощается сборка и подготовка образцов, металлы при сварке подвергаются деформации сжатия), поэтому эта схема получила большее распространение, и ниже все особенности рассматриваются применительно к этой схеме. При необходимости выведенные закономерности легко могут быть трансформированы для второй схемы. Для упрощения перехода от одной схемы к другой, по ходу рассуждений будут сделаны соответствующие замечания.

Схема сварки труб с наружным расположением заряда представлена на рисунке 15. Для создания скользящего фронта детонации инициирование заряда производится сверху. Детонатор располагают по оси свариваемых труб, и для перехода детонации на основной заряд ВВ, как правило, применяют направляющий конус (хотя возможны и другие решения). Этот же конус выполняет роль центрирующего устройства для верхнего конца труб. Снизу центровка труб обеспечивается специальной подставкой. Для предохранения труб от излишней деформации внутри устанавливается опорная система из металлического стержня, отделенного от внутренней трубы легкоплавким составом (водой, сплавом Вуда и т. п.). При сварке раздачей на месте опорной системы расположен заряд ВВ, а снаружи устанавливается массивная обойма (55, с. 137).

Первое отличие труб от плоских заключается в увеличении веса ВВ, приходящегося на единицу массы трубы при одной и той же высоте заряда. Кроме того, более удобно пользоваться понятием «погонного» веса на единицу длины. В этих единицах отношение веса ВВ к весу трубы составит (56):

где R₁ — внешний радиус наружной трубы.

Вторая особенность становится понятной при анализе движения обжимаемой трубы (рис. 16). Так как масса трубы не меняется при обжатии, то уменьшение в диаметре приводит к увеличению толщины стенки трубы (56):

Изменение толщины трубы автоматически подводит к пониманию, что скорости движения наружной и внутренней поверхностей неодинаковы (56):

где V_вн и V_н — текущие значения скоростей, R_вн и R_н — текущие значения радиусов трубы «вн» — внутренний, «н» — наружный.

Дополним высказанное оценкой запаса кинетической энергии трубы, чего до сих пор в литературе не встречалось, хотя именно она определяет условия образования соединения:

Кинетическая энергия определена интегрированием по толщине и, как видно из приведенного выражения, значительно отличается от энергии плоских образцов. Величина этой энергии зависит от кривизны труб, поэтому сварка труб разной кривизны на одинаковых режимах приведет к разным свойствам полученных соединений, что всегда следует иметь в виду при разработке технологии.

Следующий момент, который должен учитываться при разработке технологии,— то, что неподвижная труба из-за наличия опорной системы после сварки остается неподвижной, т. е. всегда масса неподвижной трубы должна приравниваться бесконечности. Поэтому вся кинетическая энергия W_КТ переходит в потенциальную и должна расходоваться на работу пластической деформации и выносимую из системы кумулятивным эффектом:

Соотношение между W_2Т и W_3Т в первом приближении можно принять равным их соотношению для плоских образцов, так как кумуляция — сугубо поверхностный эффект, и «чувствовать» кривизну он начнет тогда, когда толщина выносимого металла станет соизмерима с радиусом трубы.

Изложенного материала достаточно, чтобы перейти к методике расчета режимов. Общепринятой методики нет. Это объясняется тем, что закономерности разгона труб продуктами взрыва настолько сложны, что даже в приближении одномерного метания решение возможно только численными способами. Для этого разработаны специальные методики (11, с. 31—40), однако из-за большой сложности в математическом плане нет решений обратного типа, позволяющих определять технологические параметры по величине кинематических. Поэтому для определения технологических параметров предлагается следующая методика.

А. Рассчитывается скорость внутренней поверхности метаемой трубы, выполняющей роль скорости метания, по формуле (34). При сварке раздачей эту роль выполняет скорость наружной поверхности раздаваемой трубы.

Б. Определяется кинетическая энергия метаемой трубы по зависимости (56), причем роль внутреннего радиуса выполняет наружный радиус неподвижной трубы. При раздаче эту роль выполняет внутренний радиус внешней трубы.

В. Вводится понятие «эквивалентной» пластины, погонные масса и энергия движения которой равны соответствующим понятиям метаемой трубы:

Г. По изложенной в 3.4 методике рассчитываются технологические режимы для метания эквивалентной пластины. Скорость метания принимается равной V_э, определяемой из последнего выражения:

Д. Рассчитанные технологические параметры переносят на свариваемые трубы с учетом изменения высоты заряда (см. завис. 53).

Основу предлагаемой методики составляет положение, что одинаковые заряды ВВ разгоняют на одинаковом расстоянии равные массы до одинаковых энергий, т. е. работа заряда одинакова. Проверка этой методики на кафедре сварочного производства Волгоградского политехнического института показала возможность ее применения,