Сварка взрывом

В последнее время в технике все более широкое распро­странение находит процесс сварки с использованием энергии взрыва.

Сварка взрывом находит применение при соединении труб, приварке их к трубным доскам теплообменных ап­паратов. К готовым изделиям приваривают различную арматуру, получают заготовки деталей и переходников из разнородных металлов и сплавов.

Схема сварки металлов взрывом представлена на рис. 8.1. На жесткое основание 5 (земляной грунт, дерево, металл и т. п.) устанавливают одну из свариваемых пла­стин 4. Вторую пластину 3 помещают над первой на рас­стоянии h от ее поверхности. На всю поверхность пла­стины 3 укладывают заряд 2 взрывчатого вещества (ВВ) слоем одинаковой толщины Н. Заряд взрывают при по­мощи детонатора /, находящегося в одном из концов или углов пластины 3. В качестве взрывчатого вещества исполь­зуют гранулированные аммониты и гранулиты, имеющие плотность около 1,0 г/см³ и скорости детонации D по­рядка 3–4 тыс. метров в секунду. Заряды ВВ взрывают с помощью электродетонаторов [7, с. 38–46].

После инициирования заряда ВВ детонатором 1 вдоль слоя ВВ распространяется плоская детонационная волна. Позади фронта детонационной волны образуются продукты взрыва, которые в течение очень короткого проме­жутка времени по инерции сохраняют прежний объем,

Рис.8.1 – Схема сварки взрывом плоских парал­лельно расположенных элементов

находясь под давлением 100–200 тыс. атмосфер, а затем со ско­ростью (0,5–0,75)Dразлетаются в стороны по нормалям к свободным поверхностям заряда. При этом они сооб­щают находящемуся за фронтом детонации участку ме­талла импульс, под действием которого его элементарные объемы последовательно с ускорением, движутся к поверх­ности неподвижной части металла и со скоростью Vсо­ударяются с ней.

При установившемся процессе сварки метаемая пла­стина на некоторой длине дважды перегибается и, если соединяемые поверхности перед сваркой были установлены параллельно друг друга, ее наклонный участок со ско­ростью V_к, равной D,движется за фронтом детонацион­ной волны, а участок, на котором находится непродетонированная часть заряда ВВ, под действием сил инерции остается в исходном состоянии (рис. 8.2). Соударение сва­риваемых металлов, происходящее под некоторым углом у, вызывает давление в десятки тысяч атмосфер. В местах прикосновения пластин появляется тангенциальная со­ставляющая скорости соударения в направлении движе­ния фронта детонационной волны, вследствие этого про­исходит совместное деформирование поверхностных слоев свариваемых листов. Такое деформирование имеет ха­рактер вязкого течения и способствует тесному сближе­нию свариваемых поверхностей.

Профиль деформированной зоны металла в образую­щемся сварном соединении обычно имеет волнообразный вид (рис. 8.3). Окисные пленки и другие поверхностные загрязнения дробятся и рассредоточиваются со слоями деформирующего металла аналогично явлению при холодной сварке и частично уносятся в виде тонкой пыли под действием кумулятивного эффекта. Исследования по­казали, что при сварке взрывом отсутствует зона, со­стоящая из смеси соединяемых металлов.

При сварке металлов взрывом происходит образование металлических связей по дислокационному механизму. Активация процесса образования металлических связей связана с интенсивностью совместной пластической де­формации поверхностных слоев свариваемого металла, которая определяется скоростью распространения пла­стической деформации и ее величиной, а также величи­ной давления, развивающегося в зоне соударения.

Скорость пластической деформации металла в зоне соединения, протекающей вследствие перемещения имею­щихся и образования новых дислокаций не может превы­шать скорости распространения в свариваемых металлах пластических волн сжатия С. Поэтому для создания фи­зического контакта и таким образом реализации меха­низма образования металлических связей скорость пере­мещения вершины угла встречи γ соударяющихся поверхностей V_к вдоль свариваемого соединения должна быть меньше величины С. При несоблюдении этого условия металл не деформируется и сварка не происходит, Это тре­бование выполняется путем подбора ВВ соответствующего типа, так как D =V_к. Скорость распространения пластиче­ских волн сжатия может быть определена из выражения

где К – модуль объемного сжатия металла, кгс/см²; р – плотность металла, (кгс/см³) (с²/см).

При сварке некоторых металлов (титана со сталью, алюминия со сталью) установлено, что прочность соеди­нения увеличивается с уменьшением скорости V_к,при этом нижний предел V_к, составляет 1800–2000 м/с и опре­деляется минимально возможной скоростью детонации ВВ.

Металл в зоне сварки подвергается неравномерному всестороннему сжатию; при этом имеется свободная по­верхность в направлении процесса сварки. Чтобы в усло­виях сварки взрывом металл мог пластически деформи­роваться, давление во фронте пластической волны сжатия должно достигать определенной величины, связанной с прочностью металла.

Особенности процесса сварки взрывом следующие:

1. Сварное соединение образуется в течение миллион­ных долей секунды, т. е. практически мгновенно. Свар­ное соединение возникает вследствие образования метал­лических связей при совместном пластическом деформи­ровании свариваемых поверхностей металла. Малая про­должительность сварки предотвращает возникновение диффузионных процессов.

Эта особенность процесса поз­воляет сваривать металлы, которые при обычных процес­сах сварки с расплавлением металлов образуют хруп­кие интерметаллические соединения, делающими непри­годными швы к эксплуатации.

2. При сварке взрывом можно получать соединения не­ограниченной площади. При этом процесс сварки осуще­ствляется тем легче, чем больше отношение площади соеди­нения к толщине метаемой части металла. Осуществлены соединения площадью 15–20 м².

На рис. 8.4, а–д представлены технологические схемы сварки взрывом: а – сварка трех- и многослойных плоских соединений одновременно одним зарядом ВВ; б – при­варка двух наружных слоев к листу взрывом из одной точки двух зарядов ВВ; в – наружная облицовка цилин­дрических тел кольцевым зарядом ВВ; г – сварка би­металлических цилиндрических заготовок переменного диаметра для изготовления из разнородных металлов бес­ступенчатых трубных переходников; д – приварка труб к трубным решеткам теплообменников.

Сварка взрывом, начинает применяться для стыковых нахлесточных соединений некоторых готовых элемен­тов конструкций. Перспективно применение сварки взры­вом для соединения армированных металлов и получение из порошков монолитных металлов и сплавов.

Рис. 8.4 – Технологические схемы сварки взрывом соединений различ­ного типа: 1 – детонатор; 2 – заряд ВВ; 3 г метаемые пластины; 4 – неподвижная пластина; 5 – подложка; 6 – грунт; 7 – металлическая призма или конус для центрирования заготовок и направления фронта детонационной волны; 8 – облицовываемый цилиндр; 9 – метаемая труба; 10 – центрирующая. шайба; 11 – трубная решетка; 12 – трубка; 13 – буферная пластмассовая цилиндрическая вставка

Разработка процесса сварки взрывом находится в на­чальной стадии и поэтому трудно определить области применения этого метода в будущем.

Сварку взрывом используют при изготовлении заготовок для проката биметалла, при плакировке поверхностей конструкцион­ных сталей металлами и сплавами с особыми физическими и химическими свойствами, а также при сварке заготовок и некоторых деталей из разнородных металлов. Перспек­тивным представляется сочетание сварки взрывом со штамповкой и ковкой.