2.2 Особенности деформации металла при сварке взрывом.

Исследование контактирующей поверхности, обнаженной стравливанием одной из сваренных пластин, показало, что всю площадь сваренного образца можно разделить на две части:

• область стационарного протекания процесса сварки, характеризуемую высокой прочностью соединения, слоев, развитым волнообразованием с постоянным отношением амплитуд образующихся волн к их длинам; эта область занимает большую часть образца по площади;

• начальный участок, небольшой по протяженности в направлении распространения процесса, на котором в самом начале образца сварка совершенно отсутствует (5-15мм), затем появляются мелкие волны, которые быстро увеличиваются до своих нормальных размеров.

Таким образом, металл на, казалось бы, одинаковое нагружение реагирует по-разному. Причины такого поведения кроются в специфике условий соударения.

После инициирования заряда метаемая пластина перемещается в сторону неподвижной и в некоторый момент времени соударяется с ней со скоростью метания V_м. От места соударения вглубь металлов распространяются волны сжатия со скоростью, примерно равной скорости звука в свариваемых металлах С_К (9, с. 560). Если эта скорость больше скорости распространения процесса V_K то область повышенного давления обгонит линию контакта и выйдет на свободную поверхность перед нею. При достаточной величине давления Р свободная поверхность деформируется, образуя «бугор деформации» (10, с. 57). Естественно, деформация металла происходит с некоторой скоростью V_б, направленной навстречу скорости метания (рис. 5). Учитывая деформацию обеих соударяющихся пластин, реальная скорость соударения V_С теперь составит:

Повышение скорости соударения сопровождается соответствующим увеличением давления в металлах, а под действием более высокого давления скорость движения следующих бугров деформации увеличится, что вызовет дополнительный рост реальной скорости соударения. Соответственно на последующих участках соударяющихся металлов еще больше повышаются давление и скорость движения бугров. Этот процесс продолжается до тех пор, пока режим соударения не выйдет на стационарный, характеризуемый максимальной скоростью соударения и максимальным давлением в окрестностях линии контакта. Существование стационарного режима объясняется наличием прочностных сил связи в металлах, тормозящих движение бугров, и поворотом пришедшей в движение поверхности пластины, приводящим к изменению направления движения вершины бугра. Эти причины приводят к тому, что скорость движения вершины бугра в момент ее соударения с противоположной пластиной несколько меньше начальной.

Встречное движение метаемой пластины со скоростью метания V_м компенсирует это торможение и повышает скорость соударения до максимальной V*_С (23, 24). Именно эта скорость обеспечивает условия, необходимые для образования высокопрочного соединения металлов, а роль скорости метания заключается в том, чтобы обеспечить переход металлов в пластическое состояние (вспомним, что на начальном участке образцов сварки не происходит, хотя скорость соударения металлов равна скорости метания). Условия перехода металлов в пластическое состояние рассмотрены в следующем параграфе, здесь же рассмотрим картину течения металла на стационарном участке протекания процесса. Согласно рассмотренной схеме, «бугор деформации» (назовем его первым), образуясь на поверхности неподвижной пластины, постепенно увеличивается в размерах и через некоторый промежуток времени t₁ достигнет поверхности метаемой, пластины. В месте соударения этот бугор внедряется в поверхность пластины и выжимает из нее часть металла в виде нового бугра 2, который по мере внедрения предыдущего увеличивается в размерах и через такой же промежуток времени t₁ достигает поверхности неподвижной пластины, соударится с нею и при своем внедрении в нее выжимает следующий бугор — № 3. Теперь создается положение, аналогичное первоначальному, но сдвинутому в направлении распространения процесса ровно на длину образующейся волны α. В дальнейшем этот цикл многократно повторяется, образуя волнообразную поверхность соединения.

Геометрическая интерпретация рассмотренной схемы представлена на рисунке 6: ОА — траектория движения вершины первого бугра, АО₁—траектория движения второго. Точка М характеризует максимальную глубину внедрения «бугра». Предполагается, что в процессе внедрения вершина бугра (как геометрическая точка, обладающая максимальной скоростью) не меняет направления движения и перемещается в направлении распространения процесса на расстояние четверти длины образующейся волны, а глубина внедрения равна амплитуде образующейся волны «а» (23). В этом случае угол φ₂, под которым направлено движение второго бугра к поверхности неподвижной пластины, равен:

Из угла АО₁А₁, в котором известны сторона А₁О₁=0,5λ и два угла, прилегающих к ней, находим (21, с. 50):

Скорость соударения определяется делением АО₁ на t₁, а так как время движения вершины бугра от момента его зарождения до соударения с противоположной пластиной t₁ равно половине времени перемещения процесса на расстояние длины волны, т. е. 0,5λ/V_К, то скорость соударения равна:

Так как в режимах развитого волнообразования α/λ изменяется в пределах 0,10 — 0,35 (2, с. 115), скорость соударения V*_С составляет (1,1—1,9) V_К, что значительно превышает V_М.

Примерно к таким же выводам пришел В. М. Кудинов (10, с. 64). Согласно его модели, среднее значение вертикальной составляющей скорости движения вершины бугра равно:

Полагая, что изменение скорости от максимальной до нуля происходит по линейному закону, получаем (V*_б)_п = 1,7 V_К. Полное значение скорости соударения еще больше.

Огромная скорость соударения обеспечивает значительно большую деформацию металла, чем соударение со скоростью метания на начальных участках образцов, что и обеспечивает получение прочных соединений.

Косвенным доказательством правильности рассмотренной модели может служить факт слабой зависимости от скорости метания режимов, при которых начинается оплавление металлов (8), Как показали специальные исследования, оплавление начинается при определенном значении скорости контакта (см. табл.1).

В таблице приведены опытные значения скоростей контакта, выше которых в соединениях названных металлов наблюдается оплавление, ниже — нет. Как видно, довольно значительнее изменение скорости метания мало изменяет величину критической скорости контакта, что свидетельствует о правильных физических представлениях, заложенных в рассмотренную модель деформации металла в окрестностях линии контакта.

Таблица I