Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

талу на деякій відстані від стику. Вимірами мікротвердості встановлено зміцнення металу в зоні з'єднання шириною 10…100 мкм. Відпуск при температурах 300…400 °С зменшує твердість металу в зоні зміцнення.

Короткочасність процесу зварювання, яка складає мікросекунди, недостатня для розвитку дифузійних процесів, запобігає утворенню крихких фаз між різнорідними металами.

2.5.3. Устаткування, особливості та сфери застосування зва-

рювання вибухом. Зварювання вибухом проводять на відкритих полігонах, якщо маса заряду складає десятки і більше кілограмів, або в спеціальних виробничих приміщеннях, коли маса заряду порівняно мала. Для зварювання вибухом розроблено та створено спеціальні вибухові камери. Для зварювання біметалічних труб та інших деталей застосовують спеціальне оснащення.

Найбільш часто застосовують насипні ВР, оскільки вони дозволяють створювати заряди необхідних форм і розмірів. Поряд із раніше названими амонітами і гексогеном застосовують гранулотол, грануліт та зерногрануліт, амонал, кожен з яких має свій критичний діаметр – розмір, менше якого детонація повністю затухає. Для чистих ВР критичні діаметри малі (0,5…3,0 мм), а в сумішах можуть значно збільшуватися (до 100…150 мм).

Особливістю зварювання вибухом є високошвидкісне зіткнення поверхонь при високоінтенсивній силовій дії та утворення з'єднань протягом мікросекунд. За цей час відбувається утворення фізичного контакту й активація поверхонь, а процеси об'ємної взаємодії розвинутися не можуть навіть при високих температурах.

Для зварювання вибухом, як і для інших способів зварювання тиском, пластична деформація є обов'язковою умовою з'єднання. Головною відмінною особливістю деформації при зварюванні вибухом є утворення попереду точки зіткнення потоку маси (струменя або часток), який забезпечує самоочищення зварюваних поверхонь. Цей

233

ефект чітко виявляється при режимах кумуляції. При хвилеутворенні поверхневі плівки руйнуються і видаляються у вигляді окремих часток, які заповнюють простір перед точкою контакту. Вони можуть частково залишатися у вихрових зонах (зони інтенсивного перемішування), що вимагає попереднього механічного зачищення поверхонь, які зварюються.

Пластична деформація при зварюванні вибухом характеризується високими інтенсивністю, локалізацією та короткочасністю, які супроводжуються значним підвищенням температури. Це може призвести до рекристалізації, локального оплавлення, дифузії й утворення хімічної та фізичної мікронеоднорідності, крихких фаз, порожнин, тріщин тощо. Тому пластична деформація, з одного боку, повинна бути достатньою для самоочищення і схоплювання контактних поверхонь, а з другого – не дуже високою, щоб виключити можливість утворення дефектів у зоні з'єднання.

При зварюванні вибухом необхідно враховувати можливість утворення кінцевого непровару внаслідок того, що в кінці пластин у результаті відбиття ударної хвилі від торцевих поверхонь утворюються розтягувальні напруження, які руйнують з'єднання. Їх необхідно компенсувати зовнішнім тиском продуктів вибуху, що досягається збільшенням відношення r маси вибухової речовини до маси рухомої пластини та зменшенням відстані h0 між пластинами.

Основною перевагою зварювання вибухом є можливість отримання з'єднань із різнорідних металів. Цей спосіб широко застосовують для отримання великогабаритних листів сталі, плакованих міддю, алюмінієм, латунню, вуглецевої сталі нержавіючою сталлю тощо. Після з'єднання вибухом сталі з плакуючим металом проводиться обробка біметалу (виправлення, термічна обробка, обрізування тощо). Найбільш жорсткі вимоги до параметрів режиму ставляться при зварюванні сталі з титаном, оскільки наявність розплавленого металу різко

234

зменшує міцність з'єднань. Тому необхідне застосування малих зарядів і ВР із низькою швидкістю детонації (2,0…2,5 км/с), що дозволяє отримати якісні біметалічні листи довжиною до 1 м. При збільшенні довжини листів на відстані більше 2 м від точки ініціювання ВР спостерігається поступове зменшення міцності біметалічного металу, хаотично розташовані дефекти та поява суцільних розшарувань. Це явище пояснюється нестабільністю параметрів режиму, зокрема, збільшенням початкового зазору h0 під впливом руху повітря в зазорі попереду фронту детонації ВР, локальної зміни щільності та висоти ВР, деформації плакуючого листа тощо. Для отримання якісного великогабаритного біметалу необхідно забезпечувати рівномірний початковий зазор та його збереження в процесі зварювання за допомогою спеціальних прокладок, поділ заряду ВР на комірки кубічної форми, ініціювання заряду вздовж довгої сторони. При виготовленні біметалів якість з'єднання залежить також від співвідношення мас нерухомої та рухомої пластин, матеріалу основи, на якій розміщують нерухому деталь. Більш простим у технологічному відношенні є основа з піску, ущільненого вибухом.

Для зняття залишкових напружень проводять термічну обробку біметалу при температурах, які не викликають негативних змін у зоні з'єднання. Наприклад, температура нагрівання біметалу сталь + титан не повинна перевищувати 550 °С.

Зварювання вибухом широко застосовують для виготовлення товстолистових заготовок, які підлягають прокатуванню для отримання великогабаритних біметалічних листів необхідної товщини. Наприклад, заготовка сталі товщиною 200…300 мм зварюється з плакуючим металом товщиною 10…25 мм. При товщинах плакуючого металу більше 10 мм по периметру біметалічної заготовки утворюються непровари. При наступному прокатуванні біметалічних заготовок у місцях непроварів може виникнути відшарування плакуючого металу. Для

235

запобігання утворенню непроварів використовують низку заходів. При товщинах плакуючого шару більше 16 мм необхідно завжди прагнути до зменшення швидкості детонації ВР. Із метою зменшення напружень при плакуванні металами великої товщини рекомендуються мінімальні значення величини r. Наприклад, якщо при товщині 2,5 мм плакуючого листа нержавіючої сталі r = 1,2, то при товщині 10 мм r = 0,8, а при товщині 30 мм r = 0,6 [77].

Поряд зі схемами зварювання листового металу існує схема зварювання біметалічних труб. При внутрішньому плакуванні зовнішню трубу розміщують у масивному циліндричному контейнері для запобігання значної пластичної деформації труби. ВР розміщують на поверхні внутрішньої труби, при зовнішньому плакуванні – на поверхні зовнішньої труби. Розроблено комбіновану схему зварювання труб із розміщенням ВР на поверхнях внутрішньої і зовнішньої труб та з одночасною детонацією ВР.

Режими прокатування, зокрема, температура біметалічних заготовок, визначаються природою з'єднуваних матеріалів. Вони не повинні призводити до утворення крихких прошарків та негативного впливу на якість з'єднання.

Зварювання вибухом застосовують для виготовлення ряду деталей. У 1967 р. в інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона розроблено способи локального і шовного зварювання еквідистантно розташованих тонкостінних деталей, листів і замкнутих оболонок за допомогою подовжених зарядів вибухової речовини з великою швидкістю детонації [121]. Застосування таких зарядів дозволяє звести до мінімуму крайові непровари, характерні для зварювання вибухом. На основі цих способів упроваджено промислову технологію зварювання вибухом алюмінієвих оболонок кабелів зв'язку, сталеалюмінієвих штирів тощо.

236

2.6.Магнітно-імпульсне зварювання

2.6.1.Суть способу і технологія зварювання. Магнітно-

імпульсне зварювання (magnet-impuls schweissen; magnetic-puls welding: магнитно-импульсная сварка) – це зварювання тиском, яке здійснюється в результаті зіткнення з'єднуваних поверхонь під дією імпульсного магнітного поля індуктора та наведеного ним у заготовках струму. Спосіб зварювання заснований на використанні сил електромеханічної взаємодії між вихровими струмами, наведеними в деталі імпульсним магнітним полем і самим магнітним потоком імпульсу. Імпульсне магнітне поле створюється розрядом батареї конденсаторів на індуктор, в якому поміщають зварювані деталі. Схему магнітноімпульсного зварювання показано на рис.2.71 [44].

Рис.2.71. Принципова схема магнітно-імпульсного зварювання:

1 – зарядний пристрій; 2 – батарея конденсаторів; 3 – комутуючий пристрій; 4 – індуктор; 5 – нерухома деталь; 6 – рухома деталь

Установка для магнітно-імпульсного зварювання складається із зарядного пристрою 1, до якого входять високовольтний трансформатор і випрямляч, батареї конденсаторів 2, комутуючого пристрою 3 та індуктора 4. При подачі імпульсу на допоміжний електрод комутуючого пристрою відбувається розряд батареї високовольтних конденсаторів на індуктор 4. Індуктор створює сильне магнітне поле, яке наводить індуктований струм у деталі 6. При взаємодії струму індуктора з індуктованим струмом у деталі 6 виникають сили відштовхування між індуктором і деталлю. Внаслідок цього деталь на ділянці під індуктором, отримуючи високу швидкість руху, переміщається до нерухомої деталі 5. У

237

результаті зіткнення поверхонь з'являються значні пластичні деформації, які забезпечують утворення зварного з'єднання. Швидкість зіткнення досягає 102…103 м/с, а тиск у зоні контакту – 103…104 МПа.

Як і при зварюванні вибухом, основними кінематичними (динамічними) параметрами при магнітно-імпульсному зварюванні є швидкість зіткнення v0, швидкість розвитку контакту vк і кут зіткнення поверхонь γ. Ці параметри залежать від початкових параметрів деталей (розміри, питомий електричний опір, швидкість звуку в матеріалі), їх взаємного розташування (зазор і кут між поверхнями, які з'єднуються), енергії розряду, характеристик розрядного контуру, розташування виробу в індукторі. Зазор між зварюваними деталями необхідно мати для розгону рухомої деталі. Кут між поверхнями в більшості випадків складає 3…7º. Розроблено технологію зварювання паралельних поверхонь. Залежно від з'єднуваних матеріалів, існують певні параметри v0, vк, γ, які забезпечують утворення зварного з'єднання.

Можливі варіанти магнітно-імпульсного зварювання показані на рис.2.72,а–е [44].

Рис.2.72. Можливі схеми магнітноімпульсного зварювання:

1 – рухома деталь; 2 – нерухома деталь; 3 – індуктор

Перед зварюванням поверхні зачищають, знежирюють і розміщують в індукторі, як показано на рис.2.71. Для кращих умов зварювання

238

необхідно прагнути, щоб матеріал рухомої деталі мав високу електропровідність, малу щільність і низьку границю плинності. Якщо матеріали обох деталей мають низьку електропровідність, то для збільшення тиску між ними встановлюють сполучне кільце з матеріалу з високою електропровідністю і зварюють за схемами, показаними на рис.2.72,д,е. При зварюванні різнотовщинних труб рухомою вибирають більш тонкостінну. Для одержання найбільш широкої зони зварювання необхідно застосовувати схеми, показані на рис.2.72,а–г, з початковим кутом α > 0. Схеми, показані на рис.2.72,д,е, при α = 0 дають дві кільцеві зони зварювання з розташованим між ними непроваром. Зона з'єднання може бути без хвиль або мати хвилеподібний характер, як при зварюванні вибухом. Зварне з'єднання утворюється на ділянках, де швидкість зіткнення досягає мінімально необхідної величини і є умови для інтенсивної пластичної деформації з'єднуваних поверхонь.

Магнітно-імпульсне зварювання можна вести також із нагріванням від генератора струмів високої частоти та стисненням деталей подачею на той же індуктор імпульсу струму від магнітно-імпульсної установки.

Магнітно-імпульсні установки являють собою генератори імпульсних струмів ємнісного типу з індуктивним навантаженням. Установки компонуються зарядним та розрядним блоками. До зарядного блоку входять високовольтний трансформатор масляного наповнення, випрямляч, система автоматики. До розрядного блоку входять накопичувач енергії, комутуючий пристрій, індуктор. У промисловості застосовуються магнітно-імпульсні установки типу МИУ (МИУ-20 енергоємністю 20 кДж, МИУ-50, МИУ-100).

Важливий елемент магнітно-імпульсної установки – індуктор, що знаходиться в умовах інтенсивного механічного і теплового навантаження. Індуктори можуть бути разового та багаторазового використання. Головним елементом індуктора є одноабо багатовиткова

239

струмопровідна спіраль, форма робочої поверхні якої повторює з еквідистантним проміжком форму деталі.

Для зменшення тиску на індуктор розроблено схему деформації труб із використанням концентратора магнітного потоку. Застосування змінних концентраторів для заготовок різних розмірів дозволяє використовувати один індуктор. Можливі також інші схеми, наприклад деформація контактним способом із пропусканням розрядного потоку через заготовку та спеціальний електрод тощо [44].

2.6.2. Особливості та сфери застосування магнітно-імпульсного зварювання. Магнітно-імпульсне зварювання можна виконувати на повітрі, у захисному середовищі або у вакуумі. На відміну від інших способів деформування, при магнітно-імпульсному зварюванні деформуючі зусилля створюються в самому металі, що виключає необхідність оснащення для стискування. У порівнянні зі зварюванням вибухом, процес магнітно-імпульсного зварювання легко контролюється.

До недоліків магнітно-імпульсного зварювання необхідно віднести обмеження типів і площі зварних з'єднань, а також тиску на деталь, що обумовлено міцністю і довговічністю індуктора.

Однією з основних умов магнітно-імпульсної обробки металів є їх висока електропровідність, оскільки магнітне поле індуктора інтенсивно впливає на заготовку лише у випадку, коли поле за час розряду не встигає проникнути через стінку заготовки. Матеріали, що погано проводять електричний струм, обробляють, використовуючи покриття з високою електропровідністю.

Магнітно-імпульсне зварювання застосовується для одержання з'єднань унапуск рівно- і різнотовщинних труб між собою та з іншими деталями. Магнітно-імпульсні установки можуть використовуватись також для нагрівання деталей, наприклад, при паянні. Регулюючи величину енергії і число послідовних розрядів установки, можна змінювати температуру нагрівання деталей.

240

При зварюванні різнорідних матеріалів умови для самоочищення з'єднуваних поверхонь можуть не бути оптимальними одночасно для двох металів. Тому метал із більш стійкими оксидними плівками необхідно перед зварюванням піддавати механічній обробці або травленню. При зварюванні металів із великою різницею механічних властивостей доцільно застосовувати попередній підігрів більш міцного металу.

Зварювання труб із внутрішнім розміщенням індуктора більш сприятливе, оскільки збільшення поверхні внутрішньої труби при її деформації покращує умови очищення поверхні від оксидної плівки.

Магнітно-імпульсне зварювання алюмінію з алюмінієм та різнорідних металів, наприклад АД1 + М1, АД1 + Ст3, АД1 + 12Х18Н10Т, показали можливість утворення в зоні з'єднання фаз з високою твердістю, що вимагає кількісної оцінки енергії, необхідної для формування зварного з'єднання. Ця енергія стає найбільш важливою характеристикою процесу. Її значення залежить від схеми процесу. Найбільш поширеними схемами є схеми магнітно-імпульсного зварювання труб між собою та з іншими деталями. При цьому передбачаються засоби, які попереджають деформацію нерухомої деталі. Визначення необхідної для зварювання за цими схемами енергії розглянуто в роботі [44].

Магнітно-імпульсним зварюванням можна з'єднувати практично будь-які метали за малий проміжок часу (мікросекунди), протягом якого відбувається лише схоплювання поверхонь, а дифузійні процеси розвинутися не встигають. Тиск магнітного поля може бути сконцентрований на досить малій ділянці заготовок, тому непроварів на кінцевих ділянках немає.

Перспективи розвитку магнітно-імпульсного зварювання пов'язані з можливістю створення сильних імпульсних магнітних полів при високій стійкості індуктора, оскільки при сильних полях індуктор інтенсивно нагрівається. Розроблено схеми охолодження індуктора рідким азотом, скорочення часу протікання через індуктор розрядного

241

струму тощо. Ці заходи сприяють вирішенню однієї з основних проблем зварювання, але ускладнюють устаткування і технологію.

2.7.Дифузійне зварювання

2.7.1.Суть способу. Дифузійне зварювання (diffusionschweiseen, diffusion welding, диффузионная сварка) – це зварювання тиском, здійснюване за рахунок взаємної дифузії атомів контактуючих деталей при дії підвищеної температури і незначної пластичної деформації. З'єднання утворюється в результаті спільної дії температури Т і тиску р протягом певного часу t. Час зварювання складає від декількох хвилин до десятків хвилин. Схему дифузійного зварювання показано на рис.2.73.

Рис.2.73. Схема дифузійного зварювання і розподілу температури нагрівання деталей, що з'єднуються:

1, 2 – деталі; 3 – нагрівач

Характерна особливість традиційного способу дифузійного зварювання – застосування відносно високих температур нагрівання і низьких тисків, які менші границі плинності з'єднуваного матеріалу. Зближення поверхонь на міжатомні відстані відбувається за рахунок деформації повзучості. Для захисту металу можливе використання газових і рідких середовищ, але, звичайно, зварювання ведуть у вакуумі.

Дифузійне зварювання у вакуумі (ДЗВ) розроблено в 1953 р. доктором технічних наук, професором Миколою Федотовичем Казако-

242