Структурные особенности сварного шва и их влияние на качество соединения металлов при сварке взрывом с малыми установочными зазорами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

«V ¿V РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

^ ^ ИНСТИТУТ СТРУКТУРНОЙ МАКРОКИНЕТИКИ #-

с- ^

«V

На правах рукописи

АЛЕКСЕЕВ Юрий Леонидович

УДК 621.771.8

СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СВАРНОГО ШВА И ИХ ВЛИЯНИЕ НА КАЧЕСТВО СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ПРИ СВАРКЕ ВЗРЫВОМ С МАЛЫМИ УСТАНОВОЧНЫМИ ЗАЗОРАМИ

Специальность 01.04.17 - химическая физика, в том числе физика горения и взрыва

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Черноголовка, 1997

Работа выполнена в Институте химической физики в Черноголовке Российской акдемии наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Гордополов Ю. А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Юхвид В.И. кандидат физико-математических наук Уткин A.B.

Ведущая организация: Московский Институт стали и сплавов (Технологический университет

Защита состоится ¿с-^А^ ? 199р5~. в час

на заседании специализированного совета Д 003.80.01 Института структурной макрокинетики РАН по адресу: 142432, Московская область, Ногинский район, Черноголовка, ИСМАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСМАН

Автореферат разослан "^5 " Р_195Ь'2г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат

физико-математических наук , Кудряшов В .А

J

© Институт структурной макрокинетики РАН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время особое значение приобретает сварка взрывом как метод получения новых материалов, позволяющий экономически эффективно расходовать дорогостоящие металлы и их сплавы, путем замены дорогостоящих материалов на более простые, выполняя заготовки из разнородных металлов, производя покрытие поверхностей слоями дефицитных металлов и т.п.

В настоящей работе предлагается принципиально новая схема сварки взрывом. В этой схеме не осуществляется разгон всего плакирующего слоя, а лишь разгон свободной поверхности плакирующей пластины. Такое движение поверхности начинается после выхода ударной волны на эту поверхность. Скорость ее движения легко оценить, используя уравнения состояния материала плакирующей пластины и применяемого взрывчатого материала. Очевидно, что соударение поверхностей будет реализовано, если установочный зазор между соединяемыми поверхностями будет уменьшен до такой величины, чтобы осуществить это соударение.

Такая схема сварки имеет свои достоинства:

1. в этой схеме уменьшается количество взрывчатого материала в 3-^-5 раз, т.к. толщина заряда в этом случае может быть близка к значению критического размера дога детонации ВВ;

2. с уменьшением количества ВВ уменьшается деформирование соединяемых металлов;

3. по этой же причине создается возможность приварки взрывом каких-либо деталей на изделие;

4.создается возможность сварки металлов, склонных к хрупкому разрушению;

5.практшса показала, что в данной схеме нет ограничения геометрических размеров деталей для выполнения их соединения;

1

6.удается снизить количество дефектов в изделиях, характерных для сварки по традиционной схеме с применением больших зарядов ВВ и возникающих из-за больших деформаций, вызванных ударом всей массы метаемой пластины;

7. снижены требования к устройству взрывных камер, полигонов и их расположению по отношению к другим объектам за счет использования небольших по весу зарядов ВВ.

Цель работы, установление связи физических параметров процесса сварки с образованием прочного соединения и формированием соответствующей этому соединению микроструктуры сварного шва и прилегающих к границе соединения слоев, разработка научно обоснованных технологий сварки для ряда предприятий.

Научная новизна. Изучению микроструктуры зоны соединения при сварке взрывом посвящено большое количество работ. С помощью микроскопа наблюдают волнообразование, пластические течения, образование вихрей, расплавов, интерметаллидов и т.п. Часто в исследованиях не оговариваются условия получения соединений. Но при применении одних и тех же схем сварки и технологических приемов можно получать различную структуру биметалла, которая должна определять работоспособность изделия. По-видимому, многообразие параметров, от которых зависит механизм деформации в зоне соединения, усложняет анализ условий получения соединений.

В работе предложена и разработана новая схема сварки - при малых установочных зазорах, которая упрощает классификацию параметров сварки. Если учесть, что сварка по предлагаемой схеме осуществляется при установочных зазорах, равных нескольким десятым долям мм, а скорость свободной поверхности ударяющей пластины при этом постоянна по величине, то основным кинематическим параметром,

принимаемым во внимание, является скорость детонации или скорость точки контакта. Угол соударения не учитывается при анализе процесса сварки, так как он для каждой взятой пары металлов в назначенном интервале значений установочного зазора одинаков, а для всех исследованных пар металлов он составлет 4°-г7°.

Экспериментально исследован процесс сварного соединения при сварке с малыми установочными зазорами. Выяснилось, что прочность соединения возрастает с увеличением установочного зазора. Анализ микроструктуры зоны сварки показал, что соединение металлов осуществляется в основном за счет образования прослойки на границе соединения, и прочность соединения зависит от ее непрерывности. Образование непрерывной литой прослойки связано с увеличением установочного зазора.

Практическая ценность. Разработана схема сварки взрывом при малых установочных зазорах, которая имеет существенные достоинства: удается уменьшить в несколько раз вес необходимого заряда ВВ и значительно снизить деформацию соединяемых металлов. Кроме того, величина зазора является основным технологическим параметром, определяющим микроструктуру на границе соединения и, как следствие, качество сварки. Разработаны следующие технологии:

а) технология изготовления износостойкого сельскохозяйственного инструмента - плугов;

б) технология изготовления переходных электрических шин (медь + алюминий;

в) технология плакирования направляющих планок клетей прокатных станов из ст.З слоем латуни для повышения износостойкости;

г) технология получения биметалла БрНХК + ст.12Х18Н10Т для корпусов реакторов АЭС;

д) технология сварки заготовок из титана и сг.12Х18Н10Т для изготовления патрубков в переходных соединениях химических агрегатов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, "четырех глав и приложения. В конце работы сформулированы основные результаты, даны выводы. Работа изложена на 125 страницах текста, содержит 69 рисунков, 6 таблиц и список цитированной литературы (31 наименование отечественных и зарубежных авторов) Состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко изложено современное состояние проблемы, обоснована актуальность темы исследований, поставлена цель работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе сделан анализ традиционной схемы сварки, схемы области существования сварки, сделан вывод о большой неопределенности выбора условий для сварки из-за многообразия параметров, используемых при описании процесса соударения и предложена новая схема - с малыми установочными зазорами. В рассматриваемом способе сварки при малых установочных зазорах предусматривается сварку производить в интервале времени движения первой волны разрежения после выхода ударной волны на свободную поверхность метаемой пластины. При этом, очевидно, разгона всей ударяющей пластины не требуется. Это позволяет снизить в несколько раз количество взрывчатого материала для выполнения сварки и вследствие этого уменьшить деформацию соединяемых металлов. Для

простоты установления указанного интервала времени предлагается брать в расчет скорость ударной волны, которая определяется либо экспериментально, либо по уравнениям состояния взрывчатого вещества и привариваемого металла. В этом интервале времени должно произойти закрытие зазора. Величину зазора можно оценить по

формуле Д < 2—

где й - толщина метаемой пластины;

и - массовая скорость;

В -скорость ударной волны в металле.

Из этого следует, что основными параметрами сварки могут быть приняты й, и и Ь. Параметр й является технологическим параметром. Он назначается при создании конструкции изделия. Параметры ни!) определяются из уравнения состояния взрывчатого вещества, используемого дога сварки, и уравнения состояния металла. В данном способе зазор находится в пределах 0,1 * 1,5 мм, а толщина заряда при уменьшении толщины метаемой пластины приближается к критической толщине заряда. Величина зазора определяет лишь дашну наклоненного под углом у участка ударяющей поверхности в области точки контакта, так как скорость свободной поверхности и скорость детонации остаются постоянными. В работе в качестве основного заряда для сварки использовался аммонит марки 6ЖВ. Это связано с тем, что аммонит 6ЖВ изготавливается в виде порошка на специализированных заводах, имеет однородную структуру и стабильные свойства. Он может быть нанесен на плакирующую пластину ровным слоем.

Следует отметить, что использование данного метода сварки позв оляет решить ряд технических проблем, возникающих при

применении традиционной схемы сварки взрывом, например, появилась возможность приварки деталей на конкретное изделие без его разрушения и деформирования, возможность сварки металлов, склонных к хрупкому разрушению, удается снизить количество дефектов в изделиях, возникающих из-за больших деформаций, вызванных ударом всей массы метаемой пластины. Кроме того, снижаются требования к устройству взрывных камер, полигонов и их расположению по отношению к другим объектам за счет использования небольших по весу зарядов ВВ.

При разработке конкретных технологий выяснилось, что толщина слоя аммонита во многих случаях может быть взята в пределах 10 -ь 20 мм. Увеличение толщины заряда приводит к дополнительной деформации свариваемых металлов, а уменьшение ниже 10 мм - к нестабильности и разновременности детонации на отдельных участках детонационного фронта и к нарушениям сплошности соединения. В работе были проведены осциллографические измерения скорости детонации аммонита с толщиной слоя 15, 30 и 48 мм, находящегося на стальной пластине толщиной 3,5 мм, шириной 120 мм и длиной 200, 250 и 400 мм соответственно.

Результаты этих измерений показали, что скорость детонации аммонита, находящегося на металлической пластине, при толщинах, используемых для сварки, слабо зависит от толщины слоя аммонита. Измеренные значения скорости детонации на пластинах из стали, титана и алюминия составили 4,25; 4,02 и 4,17 км/с. Были проведены измерения скорости свободной поверхности плакирующих пластин из Ст.З, титана и алюминия толщиной 3, 5 и 4 мм соответственно. Для каждого металла зависимость г-ж имеет вид прямой линии на расстоянии до 1,5 мм. Для Ст.З, титана ВТО-1 и

алюминия Амц получены средние значения скорости свободной поверхности в сериях по 3 опыта 0,56; 0,65 и 1,00 км/с соответственно.

Таким образом, скорость детонации аммонита, находящегося на металлической пластине не зависит от толщины слоя аммонита, а измеренные значения скорости детонации 2) аммонита, размещенного на пластинах из стали, титана и алюминия, составляют 4,25; 4,02 и 4,17 км/сек соответственно, скорость свободной поверхности >»' составляет 0,56; 0,65 и 1,00 км/сек для тех же материалов соответственно.

Во второй главе приведены результаты экспериментального исследования процесса формирования сварного соединения при изменении параметров сварки. Приведен пример закрепления труб в трубной решетке тепло обменного аппарата при изменении установочного зазора между поверхностью трубы и отверстием в решетке с помощью патронов, снаряженных аммонитом 6ЖВ и гексогеном. Выяснилось, что прочность сварки зависит от величины установочного зазора между соединяемыми поверхностями. С увеличением зазора увеличивается прочность соединения.

Металлографический анализ микроструктуры зоны соединения показал, что при использовании в качестве ВВ аммонита структура зоны соединения изменяется при увеличении установочного зазора. При зазоре 0,1 мм зона соединения состоит в основном из тонкой литой прослойки. Дефекты встречаются на отдельных участках в виде пор и непроваров. При увеличении зазора до 0,28 мм число литых включений возрастает, а пор и непроваров снижается. При установочном зазоре 0,83 мм зона соединения состоит примерно па 60% из протяженных литых включений. Литая прослойка имеет большую толщину, чем в первых двух случаях.

Анализ микроструктуры зоны соединения при сварке гексогеном показал, что, как и при использовании аммонита, увеличение установочного зазора приводит к увеличению числа литых включений.

7

Кроме того, при установочном зазоре 0,83 мм происходит интенсивное вихреобразное перемешивание металлов.

При увеличении установочного зазора возрастает число литых включений. Кроме того, по виду микроструктуры и состоянию поверхностей образцов после разрушения прочность сварки следует связывать со сплошностью соединения поверхностей за счет этих литых включений. Наибольшая прочность соединения была получена при использовании патронов снаряженных аммонитом, более низкая -патронов снаряженных гексогеном. Сплошность соединения растет с увеличением количества расплавляемого мегалла. Это увеличение можно реализовать при изменении одного параметра - установочного зазора.

В используемой схеме сварки взрывом кинематические и динамические параметры не изменяются. При увеличении зазора увеличивается длина наклоненной под углом соударения у части ударяющей поверхности, находящейся в районе точки контакта. Увеличение количества расплавов может быть связано, в частности, с тепловыми эффектами в зазоре. Наибольшее число литых включений и наибольшая прочность соединения получены при использовании патронов с аммонитом. Рост числа литых включений и увеличение прочности соединения труб с трубной решеткой происходит при увеличении установочного зазора и в случае, когда патроны снаряжены гексогеном.

Результаты проведенного исследования показали, что соединение металлов осуществляется за счет образования литой прослойки на границе соединения; и прочность соединения зависит от ее непрерывности. Непрерывность литой прослойки увеличивается с увеличением установочного зазора.

Проведено исследование микроструктуры соединения при различных установочных зазорах между свариваемыми пластинами. Исследовался процесс сварки взрывом стальных пластин из ст.45 (размеры 17x50x220 мм) и стали XI2 (размеры 2,5x50x220 мм). Для сварки использовали заряд аммонита 6ЖВ плотностью 1 г/см3 и толщиной 15 мм. Микроструктура зоны соединения формируется следующим образом. На некотором расстояЕШИ от начала соударения пластин появляется тонкая литая прослойка. Далее на соединяемых поверхностях наблюдается образование волн с включениями расплавленного металла. Амплитуда и длина волн увеличиваются по мере удаления от начала соударения пластин. Поставленные для обеспечения зазора проставки задерживают поток расплавленного металла и вблизи них наблюдается образование толстой литой прослойки. После препятствия процесс формирования структуры на границе повторяется. При увеличении зазора картина формирования микроструктуры повторяется с той разницей, что увеличивается толщина литой прослойки, особенно в районе проставок. Литая прослойка выглядит как застывшая масса металла со столбчатыми кристаллами и усадочными раковинами в середине прослойки.

На основании результатов этих экспериментов сделан вывод, что установочный зазор между соединяемыми поверхностями является основным технологическим параметром процесса сварки, а интенсивность ударной волны, выходящей на свободную поверхность ударяющей пластины, оказывает существенное влияние на прцесс формирования соединения.

Проведены эксперименты, устанавливающие зависимость изменения скорости свободной поверхности ударяющей пластины от ее толщины при одном и том же относительно тонком заряде аммонита 6ЖВ. Было установлено, что от интенсивности ударного сжатия металла на поверхности соударения зависит положение границы

9

начала сварки по отношению к началу соударения пластин. При увеличении толщины ударяющей пластины эта граница сдвигается вглубь соединяемых поверхностей. На границе соединения в этой области образуется литая прослойка. Из результатов проведенного эксперимента следует, что задержка процесса сварки происходит из-за задержки разогрева поверхностей пластин до температуры плавления.

Приведены примеры сварки металлов в режимах, когда скорость точки контакта превышает скорость звука в металле. Показано, что сварка в этих условиях возможна, но применение взрывчатых веществ с высокой скоростью детонации возможно в тех случаях, когда их бризантное действие на металлы не приводит к разрушению свариваемых изделий или заготовок.

Влияние качества механической обработки соединяемых поверхностей проявилось при сварке металлов, образующих на границе соединения химические соединения - интерметаллиды. При сварке таких пар металлов с увеличением шероховатости поверхностей растет толщина литой прослойки и увеличивается прочность соединения. На примерах сварки латуни со сталью и меди с алюминием показано, что прочность соединения можно повысить во много раз за счет изменения шероховатости соединяемых поверхностей.

При разработках технологии сварки различных по твердости и по другим механическим свойствам пар металлов не обнаружено каких-либо трудностей, касающихся получения соединения, кроме следующих: 1.Сварка бывает затруднена из-за хрупкости материала. Плакирующая пластина может быть приварена, но покрыта трещинами (например, "чугун + сталь");

2.Возможно разрушение закаленного металла, на который приваривается другой металл. Иногда разрушение плакируемого металла происходит далеко от места соединения;

3.Приварка закаленно]! детали невозможна без специальных приспособлений, удерживающих эту деталь на месте сварки после взрыва. Упругая деталь удлиненной формы при скользящей детонации не может удержаться на литой прослойке на границе соединения до застывания расплава без использования специальных приемов в каждом конкретном случае.

Для достижения положительных результатов чаще всего необходимо провести соответствующую термообработку деталей до и после сварки.

В третьей главе приведены результаты измерения интенсивности теплового излучения фотоэлектрическим методом по схеме: световоды -фотодиод - осциллограф. Наряду с измерениями интенсивности излучения ударно-сжатого газа производились измерения интенсивности излучения с поверхности ударяющей пластины.

Проведены измерения скорости фронта детонации (4,2 км/с), скорости движения пробки ударно-сжатого газа (5,3 км/с) и скорости появления свечения с поверхности ударяющей пластины (5 км/с), а также интенсивности излучения. Величина интенсивности излучения из газа и с поверхности метаемой пластины не остается постоянной. Вначале наблюдается нарастание интенсивности излучения (на расстояниях 60 и 130 мм соответственно), а затем уменьшение до некоторого значения. Измерения прочности сварного соединения в отдельных точках на пути соударения показали, что прочность также не остается постоянной, а ее изменение согласуется с изменением интенсивности излучения газа и с поверхности пластин. Прочность соединения и микроструктура на его границе изменяются на пути

соударения поверхностей. Рост прочности на начальном участке соударения пластин согласуется с ростом излучения в ударно-сжатом газе и излучения с поверхности ударяющей пластины и связан с глубиной проплавления соединяемых поверхностей. Уменьшение прочности на удаленных от начала соударения участках также согласуется с изменением интенсивности излучения тех же источников.

В четвертой главе приведены результаты разработки технологий сварки взрывом по заказам ряда предприятий.

Подробно изложен технологический поиск способов приварки износостойкой пластины на носок лемеха но заказу НПО ВИСХОМ. Задача разработки технологии приварки пластины из ст. XI2 на готовое изделие была успешно решена. Схема сварки представлена на рисунке 1. Изучена микроструктура сварного шва, выявлена связь микроструктуры с прочностью соединения. При толщине плакирующего слоя 2,5 мм износостойкость была повышена на 30%.

С целью экономии дорогостоящих металлов - легированной стали и титана - была разработана технология сварки биметаллических заготовок (легированная сталь + углеродистая сталь и титан + углеродистая сталь) для валов химических насосов. Заказчиками являлись АО ЛГМ и ЩНЗ. Схема сварки представлена на рисунке 2. В разработку технологии сварки взрывом заготовок валов входило: разработка самой конструкции соединения частей заготовок валов и выбор схемы и режимов сварки для достижения высокого качества соединения. По согласованию с заказчиком соединение сваркой производилось по определенным, цилиндрическим поверхностям. Место соединения заготовок было назначено с учетом конструкции вала и распределения рабочих нагрузок. Проведено исследование влияния величины сварочного зазора на характер формирования зоны соединения металлов. Измерения прочности показали, что прочность

12

соединения изменяется по длине получаемой заготовки. Сначала она возрастает с развитием зоны проплавления соединяемых поверхностей, достигая максимума, а затем уменьшается на конце заготовки из-за торцевой разгрузки. Сварка указанных пар металлов имеет некоторые особенности. Так, при сварке ст. 06ХН28МДТ со сталью 4ОХ наблюдается образование зоны с рекристаллизованной структурой на контактной границе. Толщина этой зоны увеличивается с увеличением зазора в интервале 0,15 -г- 0,5 мм. Во всех случаях на границе соединения указанных пар металлов находится литая прослойка.

Одной из проблем является необходимость наращивания на имеющийся вал химических насосов дополнительного отрезка. В этом случае возникает необходимость закрыть наклоненный под углом к оси вала участок соединения двух поверхностей.

На рисунке 3 показана схема сварки в случае увеличения длины вала. К концу имеющегося вала 1 приваривается насадка 2 из той же стали с помощью заряда 3. Около стыка сделана расточка внешней цилиндрической поверхности детали 2 в виде ступенек шириной 10 мм. В этом месте на привариваемую насадку 2 помещена втулка 4 с конической поверхностью. В результате сварки втулка 4 приварилась к внешним цилиндрическим поверхностям деталей 1 и 2 и закрыла сопрягаемый участок. Диаметры конструкционных частей подбирались так, чтобы после расточки внешнего вала по прежнему размеру не было следов соединения. Следует отметить, что конец заряда в этой схеме расположен на сплошной цилиндрической части вала. Волны разгрузки действуют на удаленном от стыка участке, втулка 4 защищает стык от раскрытия газовыми струями. По этой причине прочность сварки высока на всей длине соединения, исключая начальный участок разгона.

В выпускаемых Электростальским заводом тяжелого машиностроения карбидных печах электрические шины выполнены из меди и имеют сечение 12x200 мм. Печи комплектуются трансформатором с шинами из алюминиевого сплава марки АД1 сечением 20x200 мм. При соединении таких шин с помощью болтов контактное сопротивление слишком велико и при уровне тока 4000 ампер изделие неработоспособно. Поэтому была поставлена задача соединения отрезков шин из этих двух металлов, имеющих длину 0,5 м, при помощи сварки взрывом. Соединение необходимо было выполнить внахлест на ширине 70 мм.

Медь и алюминий разнородные металлы с различными физическими свойствами. При сварке они образуют на соединяемых поверхностях интерметаллиды, наличие которых и определяет прочность сварного шва. Чаще всего интерметаллиды образуют малопрочные и хрупкие прослойки на контактной поверхности. Для решения задачи необходимо правильно выбрать схему сварки и подобрать оптимальный режим сварки за счет изменения величины установочного зазора.

Сварка производилась по схеме, изображенной на рисунке 4. Оптимальная величина сварочного зазора была установлена по результатам механических испытаний образцов на прочность. Была проведена серия опытов, в которых сварка производилась при зазорах 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 мм. Из этой серии опытов установлено, что прочность соединений максимальна при использовании зазора 1,0 мм. Было установлено, что прочность соединения можно повысить за счет увеличения шероховатости соединяемых поверхностей.

В КБ "Химмаш" была поставлена задача создать новый материал, обладающий стойкостью в химически агрессивной среде и при нагревании. Для решения этой задачи было предложено плакировать пластины из стаж ст. 65Г (200x200x0,37 мм) с двух сторон пластинами

14

из стали 12Х18Н10Т толщиной 0,8 мм. Такая задача была решена при использовании схемы с одновременной сваркой всех трех пластин.

В НИИКИЭТ и НПО ЦНИИТМАШ была поставлена задача получения биметаллической заготовки для оборудования АЭС из бронзы и нержавеющей стали размером 65x250x450 мм. Толщина слоев: БрНХК - 37 мм, 12Х18Н10Т - 30 мм. После проб сварки стало ясно, что на границе соударения поверхностей образуются интерметаллиды, а начальный участок получается с недостаточной прочностью соединения. Поэтому была использована схема сварки в несколько этапов. Первый этап - добиться прочного соединения бронзы и стали, приваривая на бронзу тонкую стальную пластину. Следующие этапы -приваривать на первый стальной слой последующие слои стали. На первом этапе стальную пластину толщиной 3 мм приваривали к бронзовой основе. Между бронзой и этим листом стали были поставлены поперек потока проволочные проставки 0 0,4 мм с шагом 30 мм. Последующие два слоя стали толщиной по 15 мм были приварены без видимых разрушений ранее выполненной сварки. Прочность соединения в полученном многослойном композите составила от 50 до 80 кг/мм2, причем образцы разрушались по стали 12Х18Н10Т. При прочности соединения 80 кг/мм2 разрыв образца происходил по сплошному металлу. При меньшей прочности разрыв частично попадал на границу соединения слоев стали.

В приложении представлены акты испытаний и заключения ведущих специалистов предприятий-заказчиков, подтверждающие практическую значимость разработанных технологий.

Рис. 1. Схема сварки взрывом металлических деталей

1 - слой взрывчатого вещества;

2 - плакирующая пластина;

3 - плакируемая пластина.

Рис. 2. Схема проведения сварки заготовок валов.

1 - заготовка из ст.40Х;

2 - картонная оболочка;

3 - заряд аммонита;

4 - распределитель детонации;

5 - заготовка из ст.06ХН28МДТ.

Рис. 3. Схема сварки при ремонте валов 1-ремонтируемый вал;

2 - привариваемая удлиняющая вал насадка;

3 - заряд аммонита;

4 - вспомогательная втулка для закрытия стыка;

5 - распределитель детонации.

Рис. 4. Схема сварки.

1 - медная пластина;

2 - алюминиевая пластина;

3 - заряд аммонита;

4 - распределитель детонации; 4 и 5 - стальные пластины;

Д- сварочный зазор.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе применена и исследована схема сварки взрывом с малыми установочными зазорами, то есть такими зазорами, закрытие которых происходит в начальной стадии движения свободной поверхности ударяющей пластины. Это движение начинается при выходе ударной волны на свободную поверхность и продолжается без изменения значения скорости до выхода второй ударной волны на эту поверхность. Предложено производить сварку в интервале времени движения первой волны разрежения, распространяющейся в метаемой пластине после выхода ударной волны на свободную поверхность.

В данной схеме величина зазора должна быть в пределах,

определяемых соотношением: Д < 2/г—

где А - толщина ударяющей пластины;

и - массовая скорость в металле ударяющей пластины; Б - скорость ударной волны, распространяющейся в металле ударяющей пластины.

Эта величина составляет десятые доли миллиметра. Очевидно, что для достижения высокой скорости движения поверхности не требуется разгона всей ударяющей пластины. Это позволяет снизить в несколько раз количество взрывчатого материала для выполнения сварки и, вследствие этого, уменьшить деформацию соединяемых металлов. Кроме того, при использовании этой схемы:

а) появилась возможность приварки деталей на конкретное изделие без его разрушения и деформирования;

б) появилась возможность сварки металлов, склонных к хрупкому разрушению;

в) удается снизить количество дефектов в изделиях, характерных для сварки по традиционной схеме с применением

1В

больших зарядов ВВ и возникающих из-за больших деформаций, вызванных ударом всей массы метаемой пластины;

г) снижаются требования к устройству взрывных камер, полигонов н их расположению по отношению к другим объектам за счет использования небольших по весу зарядов ВВ.

При такой схеме сварки оцежу значений параметров процесса сварки можно производить, используя уравнение состояния металла и взрывчатого вещества.

Для сварки любых пар металлов наиболее удобно использовать аммонит 6ЖВ - широко используемое промышленное взрывчатое вещество, выпускаемое на специализированных заводах страны и имеющее стабильные параметры детонации. Измеренная скорость детонации аммонита размещенного на метаемой пластине из любого металла при толщинах зарядов, используемых для сварки, составляет от 4 до 4,3 км/с и слабо зависит от толщины заряда. Таким образом, скорость точки контакта остается постоянной и равной скорости детонации. Значение скорости свободной поверхности для многих металлов находится в интервале значений 0,2+0,5 км/с. В таких условиях значительно упрощается подход к выполнению сварки. Основным параметром, определяющем качество сварки, становится величина установочного зазора. Эта величина ограничена значениями 0,3+1,0 мм для большого диапазона толщин ударяющих пластин. От изменения зазора в этих пределах зависит формирование микроструктуры на границе соединения. Причем микроструктура претерпевает изменения на пути соударения поверхностей. В зависимости от изменения микроструктуры сварного шва изменяется прочность соединения.

Проведенные исследования позволяют глубже понять физические процессы при соединении металлов и дать некоторые практические

рекомендации. На примерах, сварки различных пар металлов выявлены основные закономерности формирования микроструктуры сварного соединения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1.Разработана схема сварки взрывом при малых установочных зазорах, которая имеет существенные достоинства: удается уменьшить в несколько раз вес необходимого заряда ВВ и значительно снизить деформацию соединяемых металлов. Кроме того, величина зазора является основным технологическим параметром, определяющем микроструктуру на границе соединения и, как следствие, качество сварки.

2.Изучены особенности формирования микроструктуры соединения металлов при сварке взрывом. Установлено, что качественное соединение осуществляется в тех случаях, когда наблюдается оплавление поверхностей. Проведенные исследования показали, что особенности микроструктуры на границе соединения определяют качество сварки. Установлено, что тонкая литая прослойка на границе соединения обеспечивает высокую прочность. При увеличении установочного зазора дефекты в литой прослойке в виде усадочных раковин появляются с увеличением ее толщины. Разработаны технологические приемы сварки, позволяющие избежать появления дефектов в сварном шве. Основные из них - выбор оптимальной величины зазора и установка с определенным шагом преград, останавливающих поток металла в зазоре.

3.Наиболее значимые разработанные технологии (работы выполнены по заказам ряда машиностроительных предприятий):

а) технология изготовления износостойкого сельскохозяйственного инструмента - плугов. Износостойкость

20

была повышена на 30% за счет приваривания пластины из стали XI2 на носок лемеха, изготовленного из стали Л62. Заказчик -ВИСХОМ;

б) технология изготовления переходных электрических шин (медь + алюминий), используемых в электроплавильных печах. Заказчик -ЭЗТМ;

в) технология плакирования направляющих планок клетей прокатных станов из Ст.З слоем латуни для повышения износостойкости. Заказчик - ЭЗТМ;

г) технология получения биметалла БрНХК + ст.12Х18Н10Т для корпусов реакторов АЭС. Заказчик - НИИКИЭТ и НПО ЦНИИТМаш;

д) технология сварки заготовок из титана и ст.12Х18Н10Т для изготовления патрубков в переходных соединениях химических агрегатов. Заказчик - КБ "Химмаш".

ВЫВОДЫ

1.При использовании малых установочных зазоров область существования сварки выглядит в плоскости (у - Ук) небольшим отрезком прямой 4 -г- 4,3 км/с, расположенным в районе / а 7°. На конкретных примерах сварки металлов показано, что их соединение всегда связано с плавлением поверхностей и происходит через литую прослойку;

2.Прочность соединения зависит от физических свойств соединяемых металлов; в зависимости от них формируется микроструктура на границе соединения. Но и качество взрывчатого материала играет важную роль в этом процессе. Для формирования однородной микроструктуры следует применять порошкообразные, мелкозернистые смеси взрывчатых веществ, которые могут обеспечить

21

минимальную разновременность на фронте детонации. Аммонит 6ЖВ хорошо подходит по этим признакам, кроме того он оказывает умеренное бризантное действие на обрабатываемый металл;

3.Величина зазора играет важную роль при формировании микроструктуры сварного шва. При увеличении зазора увеличивается количество расплавленного металла на границе соединения, а также увеличивается длина и амплитуда волн при волнообразовании. Прочность соединения падает, когда толщина литой прослойки увеличивается настолько, что в ней появляются дефекты в виде усадочных раковин;

4.При одном и том же заряде и при одном и том же установочном зазоре увеличение толщины ударяющей пластины приводит к уменьшению прочности соединения. При этом на границе соединения уменьшается количество расплавленного металла. Увеличение зазора на несколько десятых долей миллиметра приводит к увеличению на границе соединения количества расплавленного металла и возрастанию прочности соединения в несколько раз.

5.Волнообразование на соединяемых поверхностях возникает на некотором расстоянии от начала соударения пластин. После его появления наблюдается рост длины и амплитуды волн на границе соударения пластин. Длина и амплитуда волн увеличиваются скачком на небольшом промежутке пути соударения (до нескольких миллиметров), если на пути движения точки контакта увеличивается зазор. Увеличение параметров волн наблюдается после порога, увеличивающего зазор, и на конечном участке соударения.

6.Тепловое излучение ударно-сжатого газа и тепловое излучение с поверхности пластин непостоянны по величине на пути соударения пластин. Проведенные измерения интенсивности излучения показали, что интенсивность того и другого излучения на начальном участке соударения пластин сначала возрастает, а затем

22

падает. Ее изменение согласуется с изменением прочности соединения поверхностей пластин. Абсолютное значение прочности соединения пластин при увеличении толщины ударяющей пластины уменьшается, а изменение этого значения в отдельных точках на пути соударения согласуется с изменением интенсивности свечения в зазоре. При этом структура сварного шва и прочность соединения можно поставить в зависимость от глубины проплавления поверхностей.

7.Из приведенных в работе примеров разработки технологий сварки взрывом с использованием малых установочных зазоров следует:

а) уменьшение деформации металлов расширяет возможности применения сварки взрывом. Например, появилась возможность приваривания отдельных деталей на изделия, сварки тонких пластин без использования специальных приспособлений, сварки металлов, склонных к хрупкому разрушению и т.д.;

б) в некоторых случаях схема сварки должна разрабатываться с учетом особенностей физических и химических свойств соединяемых металлов. Например, прочность соединения можно повысить за счет изменения шероховатости соединяемых поверхностей. В других случаях длину участка сварного соединения можно увеличить за счет проведения сварки в атмосфере инертного газа.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Алексеев Ю.Л., Лепехина Л.И., Смирнова Г.М. Сварка труб с грубными решетками взрывом. Физика и химия обработки материалов,

1992, с.117-121.

2. Алексеев Ю.Л., Лепехина Л.И., Смирнова Г.М. О юверхностных эффектах при косом соударении металлических пластин. Физика и химия обработки материалов, №3, 1992, с. 140—143.

3. Алексеев Ю.Л., Смирнова Г.М. Влияние величины сварочного зазора на качество соединения при сварке взрывом. Физика и химия обработки материалов, №4, 1993, с.120-123.

4. Алексеев Ю.Л., Смирнова Г.М. Сварка взрывом стальных пластин при уменьшенных установочных зазорах между пластинами. Физика и химия обработки материалов, №3, 1993, с.123-128.

5. Алексеев Ю.Л., Смирнова Г.М. Об условиях образования сварного соединения взрывом. Физика и химия обработки материалов, №2,1994, с. 112-116.

6. Алексеев Ю.Л., Смирнова Г.М. Формирование соединения при сварке взрывом. Физика и химия обработки материалов, №4-5, 1994, с. 126—130.

7. Алексеев Ю.Л., Смирнова Г.М. ■ Образование сварного соединения стали и титана взрывом. Физика и химия обработки материалов, №1, 1996, с.97-100.

8. Алексеев Ю.Л. Влияние шероховатости поверхностей металлов на прочность соединения при сварке взрывом. Физика и химия обработки материалов, №4, 1997, с. 117-119.