1.2.2. Энергетические параметры процесса.
В момент соударения метаемая пластина по отношению к неподвижной обладает удельным запасом кинетической энергии на единицу поверхности соударения, равным:
Если в процессе соударения произошла сварка, то пластины дальше перемещаются вместе как одно целое, и, таким образом, соударение можно считать абсолютно неупругим. Полагая, что за время образования соединения энергия и импульс соударяющихся пластин не изменяются, можно рассчитать кинетическую энергию сваренного пакета и энергию, рассеиваемую в процессе соударения (14, 15) по закону неупругого соударения (13, с. 12):
где р2 и δ2 — плотность и толщина неподвижной пластины.
Рассеиваемая при соударении энергия, определяемая выражением (14), является предметом изучения в данном курсе, так как часть этой энергии расходуется на пластическую деформацию и, в конечном итоге, определяет энергию образования соединения. Разделение энергии WПОТ на составляющие является одним из основных вопросов при изучении физики процесса сварки взрывом. В настоящее время можно назвать две основные составляющие этой части энергии.
а) энергия, расходуемая на пластическую деформацию W2,
б) энергия, уносимая из системы вследствие кумулятивного эффекта W3. Обе эти составляющие определялись исследователями: энергия пластической деформации — методом калориметрирования (15), энергия, уносимая из системы, - определением массы уносимого металла и измерением скорости его движения (16). Калориметрические исследования были проведены в объеме, позволившем вывести эмпирическую зависимость между параметрам сварки взрывом и энергией пластической деформации (15):
Количественная оценка энергии кумулятивного эффекта W3 была проведена только в одном эксперименте (16), что не позволяет перейти к обобщениям, однако приведенные данные с точностью до 3% соответствуют разности (WПОТ — W2), определяемой выражениями (14) и (15). Безусловно, этого недостаточно для окончательного вывода, и необходимы специальные исследования, объединяющие определение обоих составляющих WПОТ.
Характеристики W2 и WК можно назвать энергетическими параметрами сварки взрывом, так как наличие в них скоростей метания и контакта предопределяет их влияние на свойства сварных соединений. Однако это влияние более глубоко, чем влияние кинематических параметров: величина W2 характеризует энергию пластической деформации, от которой и зависят свойства сварных соединений. При равных значениях кинематических параметров изменением толщин свариваемых металлов можно получать соединения с различными свойствами (17). Составляющая W3 при сварке образцов малых размеров не влияет на процесс сварки, однако при сварке крупных заготовок можно ожидать взаимодействия облака частиц выносимого металла с подлежащими соединению поверхностями, так как оно перемещается непосредственно перед линией контакта и, по данным (16), имеет высокую температуру.
1.3. Влияние параметров сварки взрывом на прочность получаемых соединений
Многочисленные исследования показали, что параметры сварки взрывом влияют на свойства получаемых соединений однотипно: при превышении некоторого значения исследуемого параметра прочность (одна из основных характеристик сварного соединения) между соединяемыми металлами быстро увеличивается, в некотором интервале его значений остается максимальной, после чего начинает снижаться (18). Обобщенный график такого влияния представлен на рисунке 3а, влияние исходного зазора на прочность соединений титан+сталь и влияние количества ВВ на некоторые пары металлов представлено на рисунках 3б и Зв (10, с. 44). Подобные зависимости можно найти в литературе и для других материалов. В дальнейшем исследователи изучали изменение прочности соединений от кинематических параметров, так как было установлено, что независимо от величины технологических параметров равнопрочность достигается при определенном значении кинематических параметров — скорости метания и скорости контакта.
Металлографические и фрактографические испытания позволили сделать вывод о том, что низкая прочность сварных соединений.
Решающая роль здесь принадлежит скорости метания: недостаточная ее величина приводит к тому, что сварное соединение вообще не образуется ни при каких значениях других параметров. И, наоборот, можно получить соединение с высокой прочностью при разных значениях скорости контакта соответствующим подбором скорости метания.
Роль скорости контакта заключается в том, что при ее разных значениях меняется вид зоны соединения (как это уже отмечалось в предыдущем параграфе) — от соединений со сплошной прослойкой оплавленного металла до соединений без сплавов, т. е. скорость контакта определяет концентрацию тепла в зоне сварки. Естественно, что при малой концентрации тепла сварное соединение тоже не образуется.
Влияние энергетических параметров на прочность получаемых соединений изучалось по результатам опытов с изменением массы неподвижной пластины (22). При постоянной толщине метаемой пластины, величине и свойствах применяемого заряда ВВ и исходного зазора между пластинами скорость метания и скорость контакта оставались постоянными. Постоянной сохранялась и кинетическая энергия метаемой пластины. Таким образом, достигалось изменение только энергии, расходуемой на пластическую деформацию (см. завис. 15).
Опыты показали, что, начиная с некоторой толщины неподвижной пластины, дальнейшее ее уменьшение приводит к снижению прочности получаемых соединений. Увеличение скорости метания приводило к соответствующему уменьшению критической массы неподвижной пластины, при которой начиналось снижение прочности. Расчеты показали, что снижение прочности начинается при определенном значении энергии пластической деформации W2, независимо от того, за счет чего достигнуто это значение. Для стали 12Х18Н10Т критическое значение W2, по данным (17), составляет 0,86 МДж/М2, для пары АД1+сталь 12Х18Н10Т снижение прочности начинается при значении W2, равном 0,4 МДж/М2.