Критические условия волнообразования при сварке взрывом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

^J

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК институт структурной макрокинетики

На правах рукописи ФЕДОРОВ Василий Михайлович

УДК 662.215.2:621.7.044 2

КРИТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ВОЛНООБРАЗОВАНИЯ ПРИ СВАРКЕ ВЗРЫВОМ

(01.04.17 — химическая физика, в том числе физика горения и взрыва)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка 1992

Работа иыполпсиа и Институте химической физики и Институте структурной макрокинетнки РАН.

Научный руководитель:

доктор физико-математических паук Ю. А. Гордополов

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук В. С. Трофимов, доктор технических наук, профессор К. И. Козорезов

Ведущая организация:

Инженерный центр обработки материалов взрывом НИИ АНИТИМ

Защита состоится « А па заседании специализированного совета Д 003.80.01 Иститу-та структурной макрокинетики РАН (Московская область, п. Черноголовка, ИСМАН).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСМАН.

Автореферат разослан

199,1г.

Ученый секретарь специализированного совета

А. С. Мукасьян

© Институт структурной макрокинетпкп РАН

Г

1 Актуальность теш. Высокоскоростные косце соударения металлов • сопровождаются рядом физических процессов, в тон числе такими, . как сварка взрывом и образование кумулятивной струи в растворе.

#

угла соударения. Сварка взрывом находит в настоящее время широкое практическое применение. В таких странах, кат; США, ФРГ, Япония, а гакке в' нашей стране уже сейчас ведутся работы по внедрению взрывного метода сварки в производство. Эффективное использование ьзрывного сваривания в промышленности требует всестороннего доследования сопровождающих этот процесс явлений. У нас такие исследования ведутся в Новосибирске, Киеве, Москве, Волгограде'й Барнауле. Сварка взрывом сопровождается волнообразованием на ^аницэ соединения металлов; граница может также приобретать шнейную форму, в последнем • случае наблюдается появление этносительно устойчивых плоских кумулятивных струй в растворе д\ла соударешя. В зависимости от■ назначения сварного изделия и способов его обработки бывает необходимо получить разйую степень реформации и форму контактной поверхности. Для управления. 1роцессом волнооОразования нужно уметь прогнозировать его • тараметры в зависимости от свойств- материала и условий, »ударения. Отсутствие правильных представлений о природе волн на границе соединения .металлов и об условиях, при которых зоализуатся та или иная форма границы одерживает развитие технологии сварки взрывом.

Цель работы -. экспериментальное и теоретическое исследование

тления волнообразования и его критических режимов.

- 1 -

-Л ' ' '

Гоучная новизна. Экспериментально доказано влияние прочности материалов на параметры волн при сварке взрывом при значениях параметров соударения металлов далеких от критических для волнообразования.

. Предложена теория, согласно которой появление волн на границе соединения металлов связывается с неустойчивостью вязкого течения в основном потоке, а. критические условия для параметров . соударения, при которых происходит переход от ламинарного течения металлов к волновому, могут быть получены исследованием данного течения на устойчивость. Проведенный анализ на устойчивость . позволил вывести критерии для определения критических значений параметов соударения (угол соударения и скорость точки контакта), при которых течение устойчиво по отношению к любым возмущениям. Результаты' расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными. •

С позиций развитой в работе теории удалось объяснить ряд важных экспериментальных закономерностей, например, . разков изменение критических значений параметров соударения, при которых: происходит цереход. от ламинарного течения металлов по границе соединения к волновому, при несимметричном соударении пластин; увеличение длины волны при приближении к критич:)ским режимам.

Показано, что каждой паре критических значений параметров соударения соответствует одна и тоа же скорость деформирования материалов.'

Практическая ценность. Построенная теория позволяет найти значения параметров соударения пластин при которых реализуется требуемый тип пластического течения металлов по границе

соединения при сварке взрывом, позволяет определить значения, параметров соударения, при которых формируется устойчивая кумулятивная струя, что ваяю для задач резки взрывом. '

Результаты работы представляют интерес для исследователей, ' работающих в области использования энергии взрыва для обработки материалов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения и трех глав. В конце работы сформулироваш основные результаты. Работа изложена на 100 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков и.список цитированной литературы (67 наименований).- ■

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ' '

Во введении кратко изложена история проблемы, обоснована актуальность темы исследования, поставлена цель'работы.

В первой главе диссертации собраны основные экспериментальные данные по волнообразованию, ¿ивестше экспериментальные данные, л ' также данные самого автора систематизируются для получения общей картины явления и используются в дальнейшем • для обоснования положений теории и ее выводов. ■ . '

Основными параметраш, определяющими условия на поверхности соударения пластин, являются- угол соударения у, -скорость соударения Ус и скорость точки контата Ук из которых независимыми являются только два. В качестве независимых параметров обычно выбирают кинематические параметры у и Ук, которые . удобно регистрировать в экспериментах. Параметры у и Ук мошо выразить через параметры метания пластин а, р, д^ где а - угол

- 3 -

первоначальной установки пластин, р - угол разворота метаемой пластины, D - скорость детонации взрывчатого вещества (ВВ).

у = а

sin р

V = D -

31п(а+р)

Волнообразование на границе раздела соударяющихся пластин

наблюдается при любых схемах соударения (симметричных и

несимметричных) для любых тар металлов в широком диапазоне

изменения параметров процесса. Оно-' обладает хорошей

воспроизводимостью. Внутри области существования волнового ракима

размеры и форма. волн меняются в зависимости от параметров

соударения, при этом отношение амплитуды (а) к длина волны (х)

изменяется незначительно, в пределах 0.14 < а/\ <0.3. Исключение

составляют . лишь режимы, близкие к критическим для

волнообразования.' С увеличением угла соударения длина' волны

увеличивается пропорционально sin2?/2» однако в области больших

углов .соударения волны начинают сильно удлиняться, а амплитуда

уменьшаться тагам образом, что отношение а/\ -• 0 при ? -» vKp<

Увеличение скорости точки контакта также влия"т на форму волн.

При небольших скоростях точки контакта волны имеют правильную

синусоидальную форму. С '.увеличением скорости точки контакта

о

гребни вода смещаются в направлении, противоположном движению точки контакта. Дальнейшее увеличение скорости точки, контакта mokôt привести к отрыву гребней и сносу их по потоку.■

В литературе приводится формула для определения длины волны в

зависимости от угла соударения, предложенная В.М.Кудиновым для несимметричной схемы сварки взрывом

У о Ч

- = 26 эШ4-

1 2

Хотя в эту формулу не входят физические характеристики свариваемых металлов, она является неплохим приближением (точность ее составляет около 25%),. полезным для практического использования. Однако в ряде работ получены результаты, указывающие на заметное влияние физико-механических, а также структурных особенностей свариваемых • металлов на процесс формирования волн.

В данной работе были проведены экспериментальные исследования влияния прочностных характеристик металлов на параметры волн при зварке взрывом. Поскольку в экспериментах по сварке взрывом вс~такают трудности при реао. .зации от опыта к опыту одинаковы? /словий соударения металлических пластин регистрация разных тараметров волн осуществлялась в 'одном опыте. С этой целью тластины из аустенитной стали, марки ЗВНХТЮ и мэди марки М1 юдвергались ударно-волновому воздействию при "контактном взрыве■ швстикового ВВ ГП-87К (давление на фронте детонации '210 кбар) шсотой 17 мм, покрывавшего половину образца по длине. Затем шастшш подвергались механической обработке до получения плоской (оверхлости. Измерения микротвердости (Ну) материалов дат ¡ледукщяе результаты :для стали 250±2 кГс/мм2 и 470±7 кГс/мм2 в эупрочнснной и упрочненной областях соответственно, для меди 9±2 кГс/мм2 и 89±3 кГс/мм2 соответственно. Полученные

- 5 -

V вышеуказанным способом пластаны использовались в качестве основы, на которую в режиме сварки взрывом по параллельной схеме метались гластин" (на сталь - стальные пластины толщиной 4 мм на медь -медные пластины толщиной 3 мм) зарядом ВВ, представлявшим собой смесь аммонита 6ЖВ с бариевой сестрой в соотношении 50/50. Толщина слоя ВВ изменялась в диапазоне 20 - 60 мм. Во избежание влияния на результаты нестационарности детонации ВВ инициирование детонации производилось на расстоянии 20 см от края метаемой ■пластины. Кроме того, в половине экспериментов метание осуществлялось со стороны упрочненной части, в другой - со стороны неупрочненной части основы. Такая постановка •экспериментов исключала возможное влияние- на результаты различия динамических параметров соударения, а также любых характеристик метаемой пластины и основы, кроме обусловленных предварительным взрывным упрочнением. Измерения показали, что для стали длина ¡и амплитуда г.>лн в упрочненной области'металла на 17-25% меньше, длины и амплитуда волн в неупрочненной области, для медина 20 - 24% соответственно.

' Таким образом, на основании экспериментов автора, а также других исследователей, следует сделать вывод,'что при построении . теоретических концепций волнообразования необходимо учитывать физические характеристики свариваемых металлов.

Во второй главе приводится критический анализ теоретических концепций, предложенных '.различными авторами для ^ объяснения явления волнообразования. • |

Первые работы, по волнообразованию носили качественный характер (Абрахамсон; Бахрани, Блвк и Кросоланд)-. Одним из'.

' - 6 -

недостатков ■ этих механизмов является то, что в них • подразумевается > динамическая• и физическая неэквивалентность неподвижной и метаемой пластин. ' Среди качественных описаний

наиболее последовательным является рассмотрение процесса . проведенное В.М.Кудшовым и' А.Я.Коротеевым, которые . связывают образование волн с появлением Оу^ов деформации впереди точки контакта и их последующим обжатием. Однако, в этой концепции," как и в работах Абрахамсона и Бахрани - Блэка - Кроссланда предполагается, что волны формируются непосредственно в окрестности точки соударения и далее остаются неизменными. Подобный механизм мозкет иметь место, если размер области высокого давления порядка длины волны, что возможно, например, при больших углах соударения. Согласно известным в настоящее время экспериментальным данным при режимах метания, наиболее часто используемых в сварке взрывом волны образуются за точкой контакта и .развиваются на расстоянии нескольких.Длил волн.

Первым исследователем, попытавшимся построить количественную-теорию волнообразования, был , Хант. В основу своей концепции он полонил неустойчивость течения с тангенциальным разрывом • скорости, возникающим на границе раздела непоДвияной пластина и струи, сформированной из материала ?детаемой. .пластины. Экспериментально ка. Еолнообразой'ашта наблюдается и- в том случае, когда две одинаковые пластина 1,59 таится павотрэчу друг другу одинаковыми зарядаш ВВ, т.е.. когда тангенциальный- разрыв, являющийся основой теории Ханта, отсутствует.' '

Некоторые авторы связывают появлэпй& волн на границе раздела тгеталлов с образованием вихревой дорогасп Кармана. .г'всчет

- 7 -

'•волнового режима, основанной на таком предположении, приводят в своей работе Рэйд и Шериф. Согласно этому расчету, зависимость длины волны от угла соударения оказывается линейной (х ~ у), что противоречит экспериментальным результатам, изложенным в первой главо диссертации (\ ~ а1п2?/2). Кроме того волнообразование не всегда сопровождается появлением вихревых зон.

Более последовательны!" является подход Робинсона, а также Уткина. Они считают, что волнообразование связано о неустойчивостью течения в основном потоке. Однако, при анализе на устойчивость они используют профиль скорости в потоке, полученный из решения задачи о столкновении струй идеальной несжимаемой жидкости, который подобен гауссовой кривой. В то же время - экспериментальные факты свидетельствуют о том, что в действительности профиль скорости является параболическим, без точек_перегиба.

Оригинальную гипотезу предложили Годунов и Дерибас. По их тетю,- волнообразование является результатом автоколебательного процесса с жестким возбуждением, механизм которого сосредоточен в . малой окрестности точки контакта. Детальный анализ автоколебательного режима и выяснение механизма подкачи энергии 'возможны, по мнению авторов гипотезы, только после полного исследования , свойств металлов в условиях высоких динамических . давлений-. • ■ '

Принципиально иной подход к расчету параметров волн на границе раздела предложен Гордополовкм, который • предложил , учитывать сопротивляемость материала деформирования в тех случаях когда деформирование сопровождается изменением поверхности путем

.. • • - а■ .

введения эффективного коэффициента по физическому смыслу совпадающего с коэффициентом поверхностного натяжения в обычных жидкостях. Это -позволило ему свести задачу с волнообразовании -1С

теории капиллярных волн.

Таким образом, большинство из перечисленных концепций волнообразования в состоянии объяснить лишь отдельные эксперимэнсальные закономерности, а критические режимы волнообразования го укладываются в рамки ни одной из них.

В третьей главе предложен теоретический подход к исследованию явления волнообразования и его критических режимов.

Область сущестования волнового режима занимает в плоскости параметров соударения V - у положение, показанное на рис.1.

Рис.1.

- 9 -

Полокеппе кривой А, ограничивающей область существования волн снизу и слова, определяется прочностными характеристиками матери^па. Ниже и слева от кривой А давления в материале меньше либо сравнимы с пределами прочности и там наблюдаются только упругие или незначительные пластические деформации. Правее кривой В. реализуются такие пластические течения, при которых в окрестности точки соударения в пластинах возникают косые присоединенные ударные волны и не наблюдаются ни волны на контактной поверхности металлов, ни кумулятивные струи в растворе угла соударения.' Наиболее интересной являетя граница С, поскольку она разделяет на два части' область гидродинамического поведения металлов. Нике этой кривой наблюдается волнообразование на контактной поверхности и отсутствуют сплошные кумулятивные струи, выше асэ течение. по границе раздела' ламинарыо и наблюдаются сплошные кумулятивные струи в растворе угла соударения. Для определения'- положения кривой С А.А.Дерибас предлошл использовать критерий, выведенный из теории вязкого торможения струй, однако использование этого критерия вызывает сомнение, поскольку анализ-рентгенограмм показывает, что разрушение .кумулятивных струй обусловлено именно началом волнообразования. Мы считаем, что решение данной проблемы нушо строить на • основе анализа устойчивости потока, возникающего в песте с позиций модели вязкой

Поскольку исходное течение, .которое будет исслддоваться на устойчивость стационарно в системе координат связанной с точкой контакта соударяющихся пластий, то удобно воспользоваться именно, отой: системой координат. Ось* направляем параллельно потоку, а - *•" . . т 10 - '

ось у - порпандпкуляно ему.

В виду того, что уяэ на небольшом расстоянии за точкой соударения вертикальная составляющая скорости потока мала по сравнению о горизонтальной будем считать основное • течение плоскопараллельнкм. Поскольку в окрестности точки соударения имеет место торможение потока, примем скорость на границе разделаравной нулю. На внешних поверхностях пластин томокеше отсутствует, поэтому принимаем скорости на границе постояшшыми (в общем случае они могут быть различными, также, как толщины пластан, вякости и плотности материалов). Основное течение удовлетворяет уравнениям гидродинамики неснимаемой еязкой гядкости. йидкости считаем не смешиваемыми.'

Для анализа на устойчивость необходимо ввести в рассмотрение профайл» скорости основного потока. Анализ экспериментальных данных свидетельствует о том, что профили скорости в пластинах при сварке взрывом являются параболическими. Такое распределение скоростей соответствует линейному градиенту давлений в уравнениях Навье-Стокса. Введем градиент давления считая, 'что- давление линейно падает от своего максимального значения ру|/2 до нуля на некотором расстоянии к б^ от точки соударения, где 51 - толщина более тонкой пластины.

Для анализа на устойчивость воспользуемся методом малых возмущений. Для этого ' наложим на основное • плоскопараллельное стационарное .течение двумерное нестационарное возмущающее движение. Результирующее движение такте долгою удовлетворять уравнением Навье-Стокса. -.После подотавлешш компонент результирующего двигзная в уравнения ¿[аЕье-Стокса . и

- II'-

соответствующих преобразований получается система двух уравнений (поскольку имеем поток двух несмешивающихся жидкостей) Орра-Зоммерфельда для амплитуд функций тока возмущающего движения.-В качества граничных условий выбираем уравнение баланса сил на границе раздела; равенство вертикальных составляющих скорости на границе; условие прилипания (равенства нулю горизонтальной скорости потока) при у. = а, где а - отклонение границы от среднего положения; и условие прилипания на внешних границах (считаем, что движение осуществляется между жесткими стенками, поскольку вблизи свободных поверхностей существует зона, где давления малы по сравнению с пределами прочности металлов и металл не может вести себя как жидкость).

Решение системы уравнений Орра-Зоммерфельда с соответствующими граничными условиями позволяет найти значение критического числа Рейнольдса, при котором течение становится устойчивым по отношению к любым возмущениям.

Оказалось, что для симметричного случая (равенства толщин пластин, вязкостей, плотностей, относительных скоростей) критическое число Рейнольдса равно ИеКр= 4к. Для того, чтобы получить конкретные значения чисел Рейнольдса ИеКр необходимо определить значение параметра к. Его значение можно оценить следующим образом. В начальный момент соударения пластин из зоны соударения начинает распространяться возмущение давления в обе стороны от поверхности соударения. Возмущение отразится от свободной, поверхности волной разрежения, которая достигнет . поверхности раздела пластин на некотором расстоянии от точки соударения и давление упадет до нуля, причем первой придет волна

- 12 -

разрежения со свободной поверхности более тонкой пластины. В практических опытах по сварке взрывом могут образовываться лишь слабые ударные волны, т.е. скорость распространения возмущений полагаем равной скорости звука С0. Тогда легко находится расстояние, на котором давление упадет до нуля, 10= /С0;

тогда определяя значение параметра к как 10/51, получаем НеКр= рУк5/м = 8УК/С0.

Для того, чтобы построить в плоскости V - у границу перехода от волнового течения металлов к ламинарному необходимо связать значения Ие^ со значениями Ук и у. Известно, что вязкость металлов при динамических нагрузках зависит от скорости деформирования материала. Эта зависимость может быть аппроксимирована выражением ц = г/е", где с - производная скорости по координате, а V и г константы (0 < и < 1). Скорость деформирования можно оценить по известной формуле

. ' V«

25, з1п— ' 2

Таким образом, йе^ ~ (Ук/з1п2у/2),т и ш можем найти критические значения Чк и у.

Как можно заметать, при фиксированных значениях 5 критические значения параметров соударения достигаются при одном и том же коэффициенте вязкости или, что то же самое, одной и той же скорости деформирования для любой пары критических значений Ук И у. ' •

Таким орбразом, критерий, связывающий критические значения

- 13-

•угла .соударения и скорости точки контакта случая соударения выглядит следующим образом

для

симметричного

Лп 1 1"w РЧтчй

^вгсвт/ F-T VW

Данное выражение не очень удобно для практического использования, Поскольку недостаток экспериментальных данных о зависимости ц(с) не позволяет достаточно точно определить значения постоянных, и и 2. Однако, условие постоянства скорости деформирования позволяет при минимуме экспериментальных наблюдений построить кривую УКр(УКр). Если известна одна точка на кривой, соединяющей критические значения у^ и то критерием для построения всей кривой бдат

т„гг 2 arcsin кр

где у0 и VQ экспериментально определенная пара значений критических угла соударения и скорости точки контакта.

• Численные расчеты показали, что несимметрия процесса • соударения (различие в толщщах пластин, значениях коэффициентов вязкости, относительных скоростей враводаг Р резкому уменьшению критического числа' Рейнодьдса, что пргвоккг, ядардор, при одной и той Еб • скорости точки, контакта к резкого увеличению - угла . соударения, при которой происходит переход в яамкнарнаму течению металлов. Данный факт находится в согласил с акспераштом. На ■ . ■ _ - 14 -

рис. 2 изображены кривые зависимости критического .числа Рейнольдса от степени несимметрии процесса (отношений толщин пластин п, вязкостей q, плотностей г и скоростей т). Здесь, для определенности, к = I. Разница в плотностях соударяющихся пластин при прочих равных условиях не сказывается на степени устойчивости потока.

С целью проверки теоретических выводов были проведены ■эксперименты по косому соударению пластин из стали, меда п алюминия. Эксперименты проводились по симметричной схема соударения пластин. Размеры пластин соствлялн 70x120 мм. Использовались'пластины из стали толщиной 5 юл, мэдя - 4 мм, я алюминия - 7 мм. В ' качестве ВВ использовались склонит ' 63КВ, гексоген и литой сплав тротила с гэксогеном в соотношении 50/50. В экспериментах варьировались начальный угол установки пластин а,

5

г

Рис.2.

- 15 -

вйсота установки пластин Ь и высота заряда. На рис.3-5 приведены в- плоскости Чк- V кривые для границы перехода от волнового течения металлов- к ламинарному для алюминия, стал!'- и меди соответственно. В качестве опорных точек (значений у0 и У0) выбраны экспериментально определенные условия перехода при скорости точки контакта равной 2,2 км/с. Как видно из рисунков теоретические расчеты, изложенные, в данной главе, неплохо согласуются с экспериментальными данными.

У (дга<0 45 40 ^ 35 \ 30 1 25 { 20 ^ 15 ^ 10 ^

а!

I - ч I I I г. I го1! I II I II I I I Г1 I II II 1"1 х 11' '"' X I.' ' 1 ! и 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

V* (ки/с)

Рйс.З.

\

- 16 -

У (дгас!)

30 -з

25 20 3 15 Ю ^ 5 0

0.0

Ге

'Л У ' ' ■ |' и м 111111 ц 111 м11-т) 1111111111111111 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.Ь 5.0

Ун (ки/о)

РИС.4.

Си

Ук (км/с)

Рис.б.

- 17 ,

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Исследовано влияние прочности металлов на параметры волн при сварке взрывом. Показано, что при увеличении микротвердости (Ну) поверхности для стали 36НХТЮ с 250 кГс/мм2 до 500 кГс/мм2 параметры волн (длина волны и амплитуда) уменьшаются на 17 - 25%. Для меди М1 увеличение Ну с 49 кГс/мм2 до 89 кГс/мм2 приводит к уменьшению длины волны и амплитуды на 20-25.

2. Разработаны технологические основы получения триметаллич'еских стержней с торцевым соединением элементов (сталь-медь-алюминий, сталь-медь-магний) методом сварки взрывом, которые использовались в качестве электродов для спектрографов ЭС-2301 И ЭС-2402.

3. Проведен на основе метода малых возмущений анализ устойчивости потока, возникающего за точкой контакта при косом соударении металлов. В качестве модели поведения металлов при высокоскоростном соударении предложена модель вязкой жидкости.

4. Разработан алгоритм и написаны программы для расчета критических параметров соударения металлов.

Б. Показано, что несимметрия процесса соударения пластин (различие в толщине, вязкойти, относительных скоростей) приводит к уменьшению значения критического числа Рейнольдса и, как следствие, резкому изменению критических значений угла соударения и скорости точки контакта.

6. Показано, что для симметричной'схемы соударения' пластин критическое значение числа_Редвольдса составляет 8УК/С0, где С0 -скорость звука в мераедэ, .

- Ш