Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ведение

Потребность в конструкционных материалов, обладающих высокой стойкостью в коррозионных средах, в условиях трения, абразивного износа, в сочетании с высокими, стабильными механическими свойствами обусловила необходимость создания двух- или многослойных композиций, в которых основной, несущий слой выполняется из недорогой углеродистой или низколегированной стали, а наружный слой, взаимодействующий с рабочей средой, - из высоколегированной стали. Одним из перспективных способов получения таких материалов является сварка взрывом.

Сварка взрывом, как и любой другой технологический процесс соединения металлов; должна гарантировать получение равнопрочного сварного соединения. Главное преимущество этого способа перед другими известными методами заключается в том, что он позволяет успешно сваривать практически любые сочетания металлов и сплавов разных толщин и размеров. Одной из особенностей сварки взрывом является проблема сохранения уже полученного соединения, которое может быть ослаблено или полностью разрушено в результате воздействия на него растягивающих напряжений.

Режим операции сварки является важнейшим элементом технологии изготовления сварных конструкций. Параметры режима определяют размеры шва и структурный состав металла сварного соединения. Неправильное определение режима приводит к браку как в процессе сварки (непровары, прожоги, горячие трещины, деформации), так и к разрушению при эксплуатации сварной конструкции (например, из-за развития холодных трещин). Таким образом, невозможно получить качественное сварное соединение и работоспособную сварную конструкцию, не определив оптимальный режим сварки.

1. Аналитический обзор

1.1 Литературный обзор

Энергией взрыва можно повысить износостойкость при истирании, твердость поверхностного слоя, пределы прочности и текучести, статическую прочность (сварных соединений в результате сквозного наклепа сварного шва и зоны термического влияния), циклическую прочность (из-за повышения пределов прочности и текучести материала), улучшить качество поверхностного слоя металла. Упрочнение при импульсных нагрузках взрывом существенно отличается от упрочнения в обычных условиях. При ударе с большой скоростью, свойственной взрыву, эффект упрочнения возрастает по мере увеличения скорости удара. В металле могут возникать высокие локальные температуры, вызывающие фазовые превращения в локальных участках. Одновременно действуют процессы, присущие упрочнению при обычных скоростях деформирования, такие, как двойникование, сдвиги, фрагментация. Упрочнение энергией взрыва осуществляют по схемам, показанным на рис. 1, в зависимости от конструкции и назначения упрочняемого изделия.

Рис. 1. Схемы процесса упрочнения с помощью взрыва: а) с укладыванием взрывчатого вещества на поверхность; б) с использованием передающей среды; в) с метаном пластины на поверхность; 1 - заряд; 2 - деталь; 3 - опора; 4 - среда; 5 - пластина

Схему упрочнения наложением заряда взрывчатых веществ на упрочняемую поверхность применяют для упрочнения деталей большого сечения в том случае, если к ним не предъявляется высоких требований в отношении шероховатости поверхности и если существует припуск на обработку поверхности, повреждаемой взрывом. Схема эффективна при упрочнении деталей, выполненных методом горячего проката, литья, горячей штамповки (железнодорожные рельсы, звенья цепей экскаваторов, траки гусеничных машин). Ее можно использовать для упрочнения деталей большого сечения, к которым предъявляются высокие требования к точности размеров и шероховатости поверхности. В этих случаях важно определить место упрочняющей обработки в технологическом процессе, предусмотреть припуск на окончательную обработку. Припуск должен быть достаточным для устранения поверхностных дефектов и быть меньше толщины наклепанного слоя. Окончательная обработка резанием не должна сопровождаться появлением высоких температур и разупрочнением поверхности. Упрочнение по этой схеме используют для повышения износостойкости при трении, статической и циклической прочности [14].

Схему упрочнения взрывом в передающей среде применяют для упрочнения точных и высокоточных деталей, в том числе деталей сложных геометрических форм. Передающая среда служит защитой обрабатываемой поверхности от повреждений в результате действия взрывчатого вещества. Она передает импульс взрыва взрывчатого вещества и воздействует на обрабатываемую поверхность; регулирует давление и время действия импульса.

Изменением плотности и толщины слоя среды регулируют глубину и степень наклепа материалов различной прочности. Плотность среды должна быть тем большей, чем большую нужно получить глубину и степень наклепа. Чем выше прочность обрабатываемого металла, тем большей должна быть плотность передающей среды.

В качестве передающих сред используют воздух, воду и другие инертные вещества. При использовании воды в качестве передающей среды следует иметь в виду, что в результате неполной смачиваемости на поверхности могут скапливаться мельчайшие пузырьки воздуха. Под действием высокого давления ударной волны происходят микровзрывы пузырьков воздуха, что приводит к значительному повреждению поверхности. Во избежание этого обрабатываемую поверхность покрывают специальными смазочными материалами, обеспечивающими полную ее смачиваемость, или удаляют пузырьки тонкой волосяной щеткой. Стабильность результатов упрочнения во многом зависит от постоянства температуры воды, примененной в качестве передающей среды [12].

Технологические параметры процесса упрочнения: вид взрывчатого вещества, масса заряда, дистанция взрыва, передающая среда, ее плотность.

Основными источниками энергии при упрочнении металлов взрывом служат гексоген (флегматизированный) и тротил (прессованный и сыпучий). Иногда для получения основного заряда используют детонирующие шнуры, укладываемые соответственно форме детали.

При необходимости получения малых импульсов энергии в качестве основного заряда используют электродетонаторы различных конструкций. В качестве основного заряда часто применяют так называемые пластические взрывчатые вещества - консистентную пасту, получаемую при смешивании твердых взрывчатых веществ с воском или парафином.

Форма заряда - один из важнейших факторов. Она определяет форму ударной волны и продолжительность воздействия давления на заготовку. Для упрочнения взрывом используют заряды сферической, цилиндрической и плоской формы.

Инициирование заряда осуществляется с помощью специальных электродетонаторов или через промежуточный (пассивный) заряд, в качестве которого наиболее часто применяется детонирующий шнур ДШ-А [13].

1.1.1 Получение биметаллов методом сварки взрывом

Сварка взрывом - процесс получения соединений металлов под действием энергии, выделяющейся при взрыве заряда взрывчатого вещества (ВВ). Отличительными особенностями сварки взрывом являются:

1) изготовление биметаллических соединений из разнообразных металлов и сплавов, в том числе тех, сварка, которых другими способами невозможна;

2) высокая прочность соединения слоев;

3) быстротечность процесса сварки, вследствие чего толщина переходной зоны биметалла незначительна и обычно не превышает несколько микрон;

4) самоочистка соединяемых поверхностей в процессе соединения;

5) высокая экономическая эффективность метода, обусловленная отсутствием потребности в дорогостоящем оборудовании [11].

Процесс сварки взрывом

Впервые сварка взрывом была осуществлена по так называемой угловой схеме которой плакирующий лист металла 1 (метаемая пластина), подлежащий при варке к основному листу 2, располагается под некоторым небольшим углом =2-10^о. Лист основания установлен на более или менее жесткой опоре 3. На поверхности метаемой пластины непосредственно или промежуточный буферный слой резины или другого эластичного материала укладывается заряд 4 взрывчатого вещества (ВВ). Для взрыва заряда около вершины угла устанавливается детонатор 5.

При детонации заряда под действием высокого давления, развиваемого ее продуктами, элементы метаемой пластины приобретают большую скорость, достигающую при сварки взрывом v_к=400ч800 м/с. Между двумя пластинами образуется угол соударения г (рис. 2, б) [2].



Рис. 2. Схемы плакирования взрывом плоских деталей: а - угловая, б - параллельная (1 - метаемая пластина, 2 - основной лист, 3 - жесткая опора, 4 - заряд взрывчатого вещества, 5 - детонатор, г - угол соударения, D - скорость детонации)

г=б+в (1)

где в - угол динамического изгиба метаемой пластины,

в=2•arcsinн_н/2D (2)

где D - скорость детонации взрывчатого вещества,

н_н - скорость, достигающаяся при сварке взрывом.

В результате косого соударения в вершине угла г могут создаваться условия для образования кумулятивной струи. В связи с высокими давлениями, измеряемыми десятками и даже сотнями кбар, в зоне соударения (точке контакта) металлы ведут себя аналогично жидкости. Теория сходящихся струй доказывает, что при соударении двух быстрых потоков идеальной жидкости, движущихся под углом друг к другу, образуются результирующие потоки, скорость н масса которых определяются углом соударения и массами первичных потоков.

При соударении струй с массой т₀ каждая, движущихся под углом г со скоростью U_o (рис. 3), образуются два потока со скоростями и массами U₁, U₂ и т_1, т₂.

Рис. 3. Схема соударения потоков жидкости с образованием кумулятивной струи (т₀ - масса струи, т_1, т₂ - массы потока, U_o - скорость движения струи, U₁, U₂ - скорости потока)

На основании законов сохранения массы, количества движения и энергии получим соотношения

U₁=U₀=-U₂ (3)

т₂=т₀•(1-cosг/2) (4)

где U₁, U₂ - скорости потока,

т_1, т₂ - массы потока,

г - угол соударения между двумя пластинами.

В результате косого соударения металлических пластин, достигающих квазижидкого состояния, и удаления в кумулятивной струе с массой т₂ или в виде дисперсных частиц тонкого слоя металла (или загрязнений) с соединяемых поверхностей образующиеся ювенильные поверхности в зоне соударения приходят в контакт под большим давлением, что и способствует формированию при сварке взрывом полноценного соединения с металлической связью [6].

Источником энергии при сварке взрывом служат ВВ. При взрыве химическая энергия ВВ частично превращается в механическую энергию метания пластины, а также расходуется на нагрев продуктов детонации и окружающей среды с созданием в них ударных волн. В свою очередь механическая энергия затрачивается на нагрев металла соединяемых пластин в результате пластической деформации, явления кумуляции, создания в металле мощных волн напряжений и частично рассеивается в опоре.

Ниже рассмотрены некоторые закономерности детонации ВВ, существенные при сварке взрывом. Взрывчатые вещества представляют собой сравнительно неустойчивые химические соединения, которые под воздействием внешних факторов - давления и температуры - способны к мгновенным экзотермическим реакциям, превращающим их в сильно разогретый плотный газ. Скорость превращения настолько высока, что в первые мгновения после взрыва объем образовавшихся сильно нагретых газов занимает исходный объем твердого продукта, а их давление достигает сотен кбар [36].

Теплота превращения для ВВ, применяемых при сварке, находится в пределах 500-1000 ккал/кгс.

Важнейшим свойством ВВ является их способность к детонации. Детонация представляет собой цепную реакцию распространяющуюся в данном ВВ с определенной, постоянной для заданных параметров заряда скоростью D, превышающей скорость звука в исходном материале (ВВ). Постоянство скорости D для сварки взрывом имеет исключительное значение, так как обеспечивает квазистационарный характер процесса.

В соответствии с гидродинамической теорией возбуждение и передача детонации вызываются распространением в ВВ ударной волны. При определенной для данного ВВ амплитуде параметров (давления, температуры) на фронте ударной волны за фронтом ее движения возбуждается интенсивная химическая реакция, энергия которой поддерживает постоянство ударной волны и, следовательно, стационарный характер процесса. Вследствие этого скорость детонации D является скоростью распространения ударной волны в данном ВВ.

В действительности разложение ВВ совершается не мгновенно, а в некоторой зоне реакции (рис. 4, а), протяженность которой зависит от свойств ВВ. Для ВВ обычно используемых при сварке взрывом, она достигает 12-20 мм.

Рис. 4. Зона реакции при детонации и распределение в ней давления и плотности

Поверхность НН (поверхность Чепмена-Жуге) отделяет зону реакции от продуктов детонации, а поверхность ББ, отделяющая зону реакции от исходного ВВ, называется фронтом детонации [6].

Скорость детонации ВВ колеблется в широких пределах от 1500 до 8000 м/с, однако при сварке взрывом наиболее приемлемы ВВ с D?3200 м/с.

На фронте детонации ББ происходит скачкообразное изменение всех основных параметров ВВ (рис. 4, а, б, в). Если в исходном ВВ давление р₀, плотность с₀, температура Т_о, а массовая скорость u₀=0, то за зоной реакции от пика в плоскости ББ они снижаются на поверхности Чепмена-Жуге до р_н, с_н, Т_н, u_н.

Фронт детонации движется непрерывно до конца заряда. При этом каждая последующая точка фронта детонации является началом его нового движения. Характер движения и очертание фронта детонации можно изменять, что имеет большое значение при сварке взрывом. Если, например, инициировать заряд в точке А (рис. 5, а), то фронт детонации будет распространяться в виде концентрических окружностей с центром в этой точке. Известен ряд способов получения плоского фронта детонации, например при инициировании взрыва в вершине А (рис. 5, б) дополнительного заряда с повышенной скоростью детонации D₂>D₁ располагаемого под углом б=arcsin D₂/D₁.

Рис. 5. Распространение детонации: а - по концентрическим окружностям, б - плоским фронтом, в-по эвольвенте

Иногда при плакировании изделий сложной формы фронт детонации (рис. 5, а) может искажаться, следуя за формой заряда. Однако крутых поворотов заряда следует избегать, сопрягая линии плавной кривой (пунктир В). При взрыве цилиндрического заряда радиусом R фронт детонации из плоского (АВ) в исходном состоянии (рис. 5, в) постоянно искажается в эвольвенту СЕ. Это подтверждено экспериментально построением огибающих волн, образующихся в зоне соударения при взрыве сегмента кольцевого заряда, расположенного на поверхности метаемой пластины, отделяемой после взрыва (для выявления картины волн) от листа основания. Стационарный характер получаемой эвольвенты обосновывает возможность плакирования взрывом криволинейных поверхностей сложной формы.

Следует отметить, что в реальных, особенно смесевых, ВВ с относительно малой скоростью детонации ее фронт не движется по таким идеализированным схемам. Практически фронт детонации имеет негладкую форму, причем возможны его пульсации и некоторая неустойчивость [6].

Параметры продуктов детонации (ПД) подчиняются уравнению изоэнтропы

P=A•с^k (5)

где р - давление за фронтом детонации,

А - коэффициент пропорциональности,

с - плотность ВВ,

k - показатель изоэнтропы (для наиболее распространенных ВВ k близок к 3).

Для ВВ с относительно малой скоростью детонации, обычно применяемых при сварке взрывом, k<3.

Скорость детонации ВВ зависит от химической энергии - теплоты взрывчатого превращения Q

D=v2 (k²-1) Q (6)

где D - скорость детонации ВВ,

k - показатель изоэнтропы,

Q - химическая энергия (теплота).

Скорость детонации, давление и температура ее продуктов достигают очень высоких значений (табл. 1).

Таблица 1. Характеристика стандартных ВВ

Наименование ВВ	с0, г/см3	D, м/с	рн, кбар	Тн, К	dкр, мм
Гексоген	1,8	8850	390	3700	1,0-1,5
ТЭН	1,77	8600	350	4200	1,0-1,5
Тротил	1,62	7000	212	2350	8,0-10,0
Аммонит	1,1	4000	115	2700	10,0-12,0

За плоскостью Чепмена-Жуге давление и плотность продуктов детонации быстро снижаются (рис. 4): давление по экспоненте, плотность - практически по прямой.

Как уже отмечалось, давление продуктов детонации создает метательный импульс и сообщает расположенной в контакте с ВВ пластине скорость н_н. Эта скорость является функцией ряда параметров: н_н=f (D; с₀; р_н; д_н; Н_вв), из которых основное значение имеют скорость детонации D, плотность и количество ВВ. В связи с этим следует иметь в виду, что скорость D, в свою очередь, существенно зависит (для одного и того же ВВ) от плотности и толщины слоя ВВ (Н_вв) [25].

С увеличением диаметра заряда или его толщины (рис. 6, а) скорость детонации сначала относительно быстро растет, а затем при d_пр, Н_пр достигает установившегося значения, которое и является регламентированной скоростью детонации данного ВВ. Заметим также, что при снижении d (или Н) ниже некоторого критического значения (d_кр, Н_кр), определенного для каждого ВВ, процесс детонации становится невозможным.



Рис. 6. Зависимость скорости детонации а - от диаметра заряда, б - от плотности ВВ (аммонита): 1 - Н_вв=40 мм, 2 - Н_вв=23 мм

Очевидно, что толщина слоя ВВ (Н_вв) при сварке взрывом должна быть существенно больше критической величины для того, чтобы процесс детонации надежно возбуждался и протекал с постоянной скоростью.

Критическая толщина (диаметр) заряда резко увеличивается с уменьшением скорости детонации (табл. 1).

Другим важным параметром, сильно влияющим на скорость детонации ВВ, является его плотность. В зарядах однородных (несмесевых) с размером, превышающим критический, скорость детонации, как правило, растет с увеличением плотности по линейному закону.

Вместе с тем установлено, что неоднородные (смесевые) ВВ, обычно применяемые при сварке взрывом, не всегда подчиняются этой зависимости. При увеличении их плотности до некоторого критического для данного ВВ значения скорость детонации растет (рис. 6, б), а при дальнейшем уплотнении заметно снижается [6].

Чрезмерное уплотнение такого ВВ может привести даже к полному прекращению детонации. Характер зависимости D=f(с) зависит от толщины заряда (рис. 6, б). Например, при Н_вв=40 мм (кривая 1) скорость детонации стабилизируется. Для этого же ВВ при малом Н_вв (чрезмерном уплотнении) D снижается (кривая 2), и процесс детонации может прекратиться. Большое влияние на D может оказывать степень измельчения компонентов ВВ.

Из изложенного следует ряд выводов, важных для практики сварки взрывом: толщина заряда Н_вв должна быть больше Н_кр, большое внимание должно быть уделено. Подготовке и укладке ВВ с тем, чтобы выдерживать однородными толщину и плотность заряда.

Гранулометрический состав и форма частиц однородных ВВ (например, тротила) влияют на скорость детонации и другие ее параметры. Так, для литого, молотого и чешуйчатого тротила соответственно с_о=1,62; 1,0 и 1,02 г./см³; D=6,98; 4,80 и 4,80 км/с (при Н_вв=60 мм); р_н=183,77 и 67 кбар и k=3,3; 2,31 и 2,43.

Детонация смесевых ВВ (из аммиачной селитры и тротила), наиболее употребительных при сварке взрывом, носит очень сложный характер.

Детонация смесевых ВВ возможна при условии

d_з) с > ф_р (7)

где d_з - диаметр (толщина) заряда;

с - скорость звука в ВВ;

ф_р - время реакции.

При нарушении этого условия ВВ успевает разлететься полностью, не прореагировав. Наиболее вероятна следующая схема процесса детонации смесевых ВВ: воспламенение и горение тротила, горение зерен селитры и взаимодействие продуктов этих реакций в газовой фазе. При небольшой толщине заряда (Н?Н_кр) процесс может проходить только в тротиле и в незначительной степени на поверхности зерен селитры. Последнее хорошо согласуется с результатами исследований Кована (рис. 7), показавших, что с увеличением частиц селитры снижается D, а энергия химической реакции смесевого ВВ приближается к энергии разложения самого тротила [6].



Рис. 7. Зависимость скорости детонации от грануляции частиц селитры во взрывчатом веществе

Исследование детонации смесей аммонита с гранулированной аммиачной селитрой подтверждает, что эффект взрыва смесевого заряда приближается к эффекту взрыва содержащегося в нем чистого аммонита. Учитывая изложенное, необходимо при отработке режимов сварки взрывом измерять практическую скорость детонации применяемого заряда ВВ и систематически ее контролировать для своевременной корректировки параметров процесса сварки.

Все ВВ по мощности и чувствительности подразделяют на две группы: инициирующие, наиболее чувствительные взрывчатые вещества, применяемые для возбуждения процесса детонации в заряде, и бризантные ВВ, которые, в свою очередь, делят на вещества повышенной, нормальной и пониженной мощности [37].

Инициирующие взрывчатые вещества характеризуются малой зоной реакции (до 1 мм) и способностью взрываться от незначительных тепловых или механических воздействий. Для возбуждения взрыва ВВ требуется весьма незначительный заряд инициирующего вещества. Обычно оно содержится в капсюлях-детонаторах, а при сварке взрывом - чаще всего в электродетонаторах или детонирующих шнурах.

Наиболее распространенными инициирующими ВВ являются гремучая ртуть Hg(ONC)₂, соли азотистоводородной кислоты (азиды), в частности, азид свинца Рb₆N₆ с критическим диаметром 0,01-0,02 мм н др.

Электродетонаторы изготовляют с использованием одного или нескольких из перечисленных составов. Недостатком большинства инициирующих ВВ является выделение токсичных паров ртути или свинца, хотя и в незначительных количествах. При сварке взрывом в полевых условиях это не имеет практического значения. Однако при работе во взрывных камерах необходимо тщательно следить за исправностью вентиляционных систем и длительностью их работы, предусмотренной для удаления токсичных газообразных продуктов.

Обычные детонаторы взрываются через несколько миллисекунд после включения тока, но время их срабатывания колеблется в значительных пределах, поэтому они не могут быть использованы как синхронизаторы взрыва в двух или более точках близко расположенных зарядов.

Детонатор вводят в слой ВВ на глубину 30-40 мм. Если непосредственная установка детонатора на заряде нежелательна, то можно воспользоваться для передачи детонации на некоторое расстояние специальным детонирующим шнуром.

Детонирующий шнур состоит из взрывчатой сердцевины диаметром 3 мм, содержащей 12-13 г./м высокочувствительного ВВ (ТЭН), и оболочки, выполненной из нескольких слоев льняных и хлопчатобумажных нитей с гидроизоляцией [14].

Наибольшее распространение при сварке получил шнур ДШ-А со скоростью детонации 6500 м/с. Скорость детонации шнура колеблется в пределах нескольких процентов, и поэтому его часто используют в качестве эталона при измерении скорости детонации бризантных ВВ.

При соединении шнуров между собой или в пачку необходимо иметь в виду, что каждый их стык задерживает передачу детонации приблизительно на 1 мкс. Это имеет значение в сложных системах сварки взрывом при необходимости синхронного инициирования процесса одновременно в нескольких точках. Все ВВ требуют бережного и осторожного обращения, регламентируемого «Едиными правилами безопасности при взрывных работах». Основным источником опасности является электродетонатор или детонирующий шнур, требующие особой осторожности в обращении с ними и строгого выполнения правил хранения, транспортирования и установки [11].

Бризантные взрывчатые вещества являются по существу энергоносителем для сварки взрывом. Для этой цели в настоящее время применяют ВВ пониженной мощности (табл. 2), чаще всего аммонит в большинстве случаев с дополнительным количеством аммиачной селитры для снижения D.

Таблица 2. Характеристика аммиачно-селитренных ВВ

Наименование ВВ	Состав, %	Скорость детонации D, м/с	Критический диаметр, мм
	Аммиачная селитра	Тротил
Аммонит 6ЖВ	71	29	4200	10-12
Аммонит 6ЖВ+аммиачная селитра ив соотношении: 1:1 1:3	85 94	15 6	3200-3600 2100-2600	18-20 24-28
Игдинит	95	5	2000-3000	100-110

Для работ в вертикальном положении и на криволинейных поверхностях очень удобны пластичные и, особенно, эластичные ВВ. Имеющиеся ВВ этого типа (табл. 3) обладают высокими скоростями детонации, что делает их, как правило, малопригодными для сварки.

В связи с тем, что при сварке применяют заряды различной толщины, очень важно знать зависимость D=f(Н_вв) для практически применяемых смесевых ВВ.

Таблица 3. Характеристика пластичных ВВ

Марка ВВ	D, м/с	Нкр	с0, г/см3
835	7600	0,7	1,62
805	7600	2,0	1,62
396	6100	21,0	1,68
196	4100	31,0	1,80

Взрывчатое вещество обычно укладывают непосредственно на поверхность метаемой пластины. Для этого на ней по периметру устанавливают картонную или деревянную ограничительную опалубку, прикрепляемую к пластине.

При использовании готового ВВ, например аммонита, зерно-гранулита или других промышленных ВВ, достаточно высыпать измельченный и просеянный состав в опалубку и выровнять до заданной толщины. Если же к ВВ добавляют аммиачную селитру, то ее следует просеять и тщательно смешать в заданной пропорции.

Просеивание и смешивание ВВ должно проводиться в сосудах из пластмассы, дерева или алюминия инструментом из тех же материалов. Использование медных или латунных деталей категорически запрещается, так как в контакте с аммиачной селитрой при определенных условиях могут образоваться высокочувствительные ВВ, а использование стального инструмента может привести к искрообразованию.

При раскладке ВВ следует избегать сегрегации состава, которая существенно ухудшает стабильность процесса детонации и, как следствие, стабильность параметров режима сварки [9].

Механические процессы при сварке взрывом

Давление на фронте детонации достигает сотен кбар. Максимальное давление продуктов детонации на металлическую преграду зависит от угла между фронтом детонации и поверхностью преграды и от жесткости. Например, при D=6000 м/с это давление в случае фронта детонации, параллельного и перпендикулярного к поверхности металла, составляет соответственно для алюминия 360 и 195 кбар, для железа - 485 и 200 кбар и для меди 510 и 210 кбар.

Существенно, что максимальное давление определяется свойствами ВВ и металла и не зависит от толщины заряда Н_вв при условии, что эта толщина остается больше Н_пр. Однако с увеличением Н_вв растет длительность его действия (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость давления продуктов детонации от времени при различной толщине заряда

Под воздействием кратковременного импульсного нагружения при взрыве со скоростью детонации D?ci в металле возникает резко локализованное возмущение - ударная волна сжатия, имеющая зубовидную форму (рис. 9), которая, проходя через любую точку тела, перемещает ее в течение короткого времени со скоростью, изменяющейся от u_max до 0, на некоторую конечную величину. Это перемещение остается и после прохождения волны. Если направление перемещения частиц параллельно направлению движения ударной волны, то такая волна называется продольной, и скорость ее движения в теле c_i..

c_i=vЕ/с_м (8)

где c_i - скорость движения волны,

Е - модуль упругости,

с_м - плотность металла.

Рис. 9. Продольная зубовидная ударная волна сжатия, движущаяся со скоростью c_i и распределение в ней напряжений у и массовых скоростей u (1 - продукты детонации, 2 - фронт детонации, 3 - непрореагировавшие ВВ, 4 - фронт ударной волны)

Напряжение на фронте ударной волны определяется действующим на металл давлением. В случае движения частиц тела в направлении, перпендикулярном направлению ударной волны, волна является поперечной. Она распространяется с меньшей, чем с_t скоростью, вызывая появление в металле сдвиговых напряжений, изменяющих форму тела.

c_t=vG/с_м (9)

где G - модуль сдвига.

В металле скорость распространения ударной волны равна скорости звука в нем. Однако в реальных металлах скорость ударной волны существенно зависит не только от его свойств, но н от давления. При значительных давлениях она, как правило, выше скорости звука (в результате повышения модуля упругости). Следует подчеркнуть, что массовая скорость частиц в ударной волне значительно ниже скорости самой волны.

Направление ударных волн зависит от угла, образуемого фронтом детонации и поверхностью металла. При их параллельности (что в практике сварки взрывом практически не встречается) ударная волна распространяется перпендикулярно поверхности металла. При перпендикулярном фронте детонации фронт ударной волны наклонен к поверхности металла под углом ц (рис. 9), определяемым соотношением скоростей D и с_i (в первом приближении sinц=D/c_i). Нагружение со скоростью D<c_i сопровождается образованием волн сжатия (слабых ударных волн) в металле, отличающихся по форме от зубовидной ударной волны в большей степени, чем меньше скорость D [38].

Под действием таких волн металл подвергается адиабатическому сжатию, что приводит к его нагреву, частично сохраняющемуся после прохождения волны, а также к необратимому расходу энергии и постепенному затуханию волны.

Существенное значение при сварке взрывом может иметь отражение волн сжатия от свободной поверхности металла и прохождение их через границу раздела разных сред, а также эффект интерференции встречных волн. Волна с фронтом, параллельным свободной поверхности тела, отражается от нее в виде плоской волны такой же амплитуды, но с обратным знаком напряжений - волна сжатия отражается в виде волны растяжения. При падении на свободную поверхность тела продольной волны сжатия под углом не разным 90° возникают две отраженные волны: продольная волна растяжения (под тем же углом) и поперечная волна (под меньшим углом).

Условия перехода волн сжатия через границу раздела двух сред определяются соотношением их акустических сопротивлений (величины с_м с_i). При этом возможны три случая: 1) с₁ с₁= с₂ с₂, т.е. акустические сопротивления обеих сред одинаковы (например, при прохождении волны сжатия через границу раздела плакирующего и основного слоев двухслойной стали) - волна сжатия преодолевает границу раздела без изменений; 2) с₁ с₁>с₂ с₂, т.е. акустическое сопротивление в среде, где волна возникает, выше, чем в среде, в которую волна переходит (например, на границе между плакируемым листом металла и неметаллической опорой); при этом амплитуда напряжений проникающей волны меньше амплитуды напряжений падающей и появляется отраженная волна обратного знака, амплитуда которой будет тем меньше, чем меньше разница между с₁ с₁ и с₂ с₂. 3) с₁ с₁<с₂ с₂ (например, при плакировании стали медью или. алюминием) амплитуда напряжений в проникающей волне больше, чем в падающей, а отраженная волна сохраняет знак падающей [5].

Отношение напряжений в падающей у_пад, отраженной у_отр и проникающей у_пр волнах определяется по уравнениям

у_отр/ у_пад= с₂ с₂ - с₁ с₁/ с₂ с₂+с₁ с₁ (10)

у_пр/ у_пад= 2с₂ с₂/ с₂ с₂+с₁ с₁ (11)

В условиях импульсной обработки металлов возможна встреча волн напряжений, например волн, отраженных от различных свободных поверхностей тела. При встрече волн одинакового знака, направленных навстречу друг другу, в результате их наложения максимальное растягивающее напряжение в месте встречи удваивается, что облегчает разрушение металла. Встреча волн противоположного знака менее опасна, так как она не приводит к росту амплитуды напряжений.

При сварке взрывом волны сжатия образуются, во-первых, на поверхности метаемой пластины в зоне реакции, во-вторых, в зоне соударения метаемой пластины с листом основания. Хотя метаемая пластина обычно имеет небольшую толщину и волна сжатия, возникшая на внешней поверхности, успевает отразиться от ее свободной поверхности до момента соударения в результате относительно малого давления продуктов детонации по сравнению с давлениями в зоне соударения (эти давления при определенном значении D соответственно пропорциональны плотностям ВВ и металла метаемой пластины, отличающимся практически на порядок), отраженная волна растяжения не приводит к повреждению метаемой пластины.

Картина распространения волн напряжений, возникающих в зоне соударения, значительно сложнее. В частности, метаемая пластина толщиной д₁ (рис. 10) соударяется в точке О с листом основания, поверхность которого вблизи этой точки в результате значительного сжатия искривляется (по кривой ОВ).

Рис. 10. Схема распространения ударных волн при соударении

На приведенной схеме в координатах расстояние - время (x - t) показано распространение волн сжатия во времени (следует подчеркнуть, что эта схема характеризует движение волн только по отношению к оси х и не дает полного представления об их направлении).

В металле основания волна сжатия сначала движется с постоянной скоростью (прямая Оа). С той же скоростью (при соударении двух стальных пластин) распространяется волна сжатия в метаемой пластине (прямая ОС). В точке С волна сжатия отражается в виде двух волн - продольной волны растяжения и поперечной волны, встречающихся под острым углом с волной сжатия в моменты времени b и Т [9].

В результате интерференции волн разного знака, движущихся почти в одном направлении, амплитуда напряжений на фронте сжатия основной волны снижается и, как следствие, уменьшается ее скорость.

При сварке взрывом в зоне соединения генерируется значительное количество теплоты, которое при определенных параметрах процесса может даже приводить к получению сплошной прослойки литого металла между соединяемыми поверхностями. При оптимальном процессе соединение имеет характерную для сварки взрывом волнообразную структуру с незначительными включениями расплавленного металла (рис. 11).

Рис. 11. Типичная волнообразная структура соединения

Параметры волн (шаг, амплитуда) и их форма, количество, размеры включений могут существенно влиять на прочностные свойства биметалла. В связи с этим процесс волнообразования исследовался как теоретически, так и экспериментально.

Значительную роль при волнообразовании играет пластическая деформация, что подтверждают выполненные исследования с помощью метода искажения координатной сетки, нанесенной на поперечное сечение свариваемых взрывом пластин [21].

При рассмотрении такого сечения (рис. 12) можно обнаружить, что пластическая деформация метаемой пластины заметно превышает деформацию основного листа.

Рис. 12. Деформация сдвига в зоне соединения (Ч5)

Наблюдаемое взаимное смещение соединяемых поверхностей в очаге сварки при наличии в этой зоне очень высокого давления может создать положительный эффект от трения свариваемых поверхностей, способствующий образованию соединения [40].

Существует несколько объяснений процесса волнообразования. По одному из первых основной причиной образования волн является кумулятивная струя [5]. На экспериментальной установке, где металлы имитировали жидкостью, удалось воспроизвести процесс волнообразования, при котором торможение струи приводит к периодическому образованию бугра деформации. Как показали более поздние исследования, наличие кумулятивной струи не всегда способствует волнообразованию.

Несколько более обоснованной представляется теория, которая также исходит из предположения о нахождении соударяющихся металлов в виде невязкой жидкости с образованием кумулятивной струи. По этой теории перемещение бугра деформации впереди зоны соударения вызывает его рост (рис. 13, а), в результате чего он пересекает кумулятивную струю. Это приводит к торможению струи, ее завихрению в соединении.

Рис. 13. Механизм волнообразования при сварке взрывом

В результате дальнейшего контакта бугра и поверхности метаемой пластины образуется новая кумулятивная струя (рис. 13, б), которая достигает невозмущенной поверхности основного металла с образованием новой зоны торможения, приводящей к углублению и завихрению, но уже главным образом в металле основания. Здесь вырастает новый бугор (рис. 13, в), и далее процесс повторяется. Эта теория полнее объясняет процесс волнообразования, однако оставляет без ответа ряд вопросов, например волнообразование без зон завихрения, волнообразование при симметричной схеме сварки, зависимость размеров волн от толщины соединяемых пластин [21].

Появление волн на некотором расстоянии от точки соударения заставляет предполагать наличие дополнительного источника возмущения, которым согласно может служить волна разрежения, отраженная от свободной поверхности метаемой пластины, догоняющая точку контакта соударяющихся пластин при D<с. [9]

Анализ экспериментальных данных и решение уравнений гидродинамики показывают, что для возникновения волн необходимо сильное исходное возмущение процесса соударения. На основании этого сделан вывод [9], что волнообразование - автоколебательное движение, осциллятор которого находится в окрестности точки соударения, где давление, температура и скорость звука существенно отличаются от исходных.

С таким характером процесса волнообразования, по-видимому, связано и то, что для возбуждения или восстановления этого процесса требуется достаточно большое время. Так, при обычной сварке взрывом волны в соединении появляются на расстоянии, обычно превышающем 100 мм от точки инициирования. При нарушении процесса волнообразования, например, в зоне расположения небольшой установочной прокладки между метаемым и основным листами она как бы дает безволновую «тень» в соединении протяженностью 50-100 мм.

При D<с классическая схема процесса, предполагающая, что правее фронта детонации оба свариваемые листа неподвижны и, как следствие, расстояние между ними (зазор) во время сварки остается постоянным, не подтверждается экспериментально. В этих условиях можно ожидать, что лист основания под действием импульса силы при соударении с метаемой пластиной приобретает на участках, опережающих фронт детонации, некоторую скорость.

При малых значениях D такое же явление может происходить и в метаемой пластине. Самостоятельное движение участков метаемого и основного листов, расположенных перед фронтом детонации, может привести к изменению исходного зазора и к нарушению квазистационарного характера процесса плакирования. Можно ожидать, что явление опережающего движения будет расти с увеличением конкретных размеров свариваемых заготовок. Это предположение подтверждено экспериментально. Опыт проводили с подвешиванием листа основания для исключения влияния жесткой опоры на его перемещения. Чтобы устранить возможное влияние подвески, проволоки отстреливали взрывом детонирующего шнура одновременно с инициированием взрыва основного заряда. Запись перемещений конца листов с помощью электрических датчиков и развертки времени показала, что уже через 200 мкс (что при D=2000-2300 м/с соответствует прохождению процесса на расстояние 400-500 мм) концы листов расходятся (рис. 14). [41].

Рис. 14. Осциллограмма перемещения листов в процессе плакировании при их свободном расположении

Увеличение зазора в процессе сварки возможно также под действием сжатого воздуха в закрывающемся зазоре. При плакировании небольших деталей взаимное скрепление свариваемых листов стяжками может предупредить независимое перемещение основания и метаемой пластины перед фронтом детонации [10].

Деформации и напряжения при сварке металлов взрывом

Работоспособность одно- и многослойных биметаллических материалов определяется прочностью соединения слоев при различных видах нагружения, механическими характеристиками материала в целом и, наконец, служебными свойствами плакирующего слоя. Известно, что исходные свойства (коррозионная и кавитационная стойкость и др.) плакирующего слоя в биметалле, полученном сваркой взрывом, могут более или менее существенно изменяться в результате действия двух факторов: во-первых, приложения высоких импульсных нагрузок, вызывающих интенсивную пластическую деформацию и тепловое воздействие на материал и вследствие этого специфические структурные превращения, и, во-вторых, работы плакирующего слоя при наличии его жесткой связи с материалом основы с резко отличающимися свойствами, что приводит к значительным остаточным напряжениям, образованию включений или сплошных прослоек промежуточного состава.

В основном получаемые с помощью сварки взрывом листовые заготовки используют для изготовления различных оболочковых конструкций, т.е. подвергают различным видам формоизменения: прокатке, вальцовке, гибке, штамповке и т.д. При операциях, связанных с холодной и горячей пластической деформацией, в материале неизбежно возникают дополнительные внутренние напряжения, обусловленные как непосредственно деформациями формоизменения, так и различием физических свойств металла основы и плакирующего слоя. Существенное изменение свойств плакирующего слоя может привести к снижению его коррозионной стойкости [18].

Металлы, соединяемые (свариваемые) взрывом, характеризуются неоднородной пластической деформацией, различной структурой и механическими свойствами, значительным упрочнением в зоне соединения. Деформация металлов в зоне соединения при сварке взрывом является объемной, неравномерной и характеризуется сложным и вихреообразным течением металла, высокой интенсивностью и сильно выраженной локализацией.

Пластическая деформация на поверхности контакта играет при соединении металлов взрывом весьма существенную роль, являясь механизмом, способным перевести значительную часть кинетической энергии метаемой пластины в тепло и ослабить действие разгрузки. Кроме того, образование волн, содействует механическому перемешиванию и «зацеплению» соединяемых металлов, увеличивает поверхность их соприкосновения. Образующийся поток мелких частиц (кумулятивный эффект или возникшее облако) способствует сцеплению металлов [37].

Величина остаточных деформаций зависит от многих факторов: величины заряда, скорости детонации ВВ, размеров свариваемых заготовок, их материала, вида опоры и др. Например, увеличение скорости соударения при прочих равных условиях приводит к возрастанию относительных остаточных деформаций, а также к изменению характера и распределения деформаций по глубине сварного соединения и увеличению толщины деформированного слоя металла [12].

Деформированный слой металла делят на три зоны. Зона 1 непосредственно примыкает к границе соединения, для нее характерно максимальное течение металла. Обычно толщина слоя составляет 0,5-0,7 мм. При удалении от линии соединения искажения постепенно уменьшаются и исчезают примерно на расстоянии от нее в 1-2 длины волны по профилю соединения; наблюдается разупрочнение металла вследствие релаксации. В этой зоне установлено перемешивание частиц соединяемых металлов, расплавы, пустоты и другие дефекты. Зона 2 характеризуется появлением волнообразования - пластической деформации и неоднородности деформации. Ширина зоны может достигать 2,5 мм. Зона 3 - продолжение деформации металла по толщине, она имеет линейный характер и простирается примерно на глубину 7 мм, уменьшаясь при удалении от границы соединения [40].

При соединении пластин с минимальным расстоянием между ними в случае небольших скоростей соударения отсутствует зона 1 и волнообразное искажение линии шва; при увеличении скоростей соударения эти зоны появляются снова. Повышение высоты заряда при постоянной скорости соударения способствует росту ширины деформированного слоя металла из-за расширения зон 2 и 3 и без заметного изменения значения остаточных напряжений в зоне 1.

В продольном направлении конечную пластическую деформацию двухслойных цилиндрических изделий условно можно разделить на пять областей с разной степенью относительного обжатия.

Первая и пятая области - граничные и составляют 2-8% длины заготовок. Первая область является начальной, здесь стенка привариваемой заготовки разгоняется до необходимой для сварки кинетической скорости соударения. Обжатие привариваемой заготовки происходит практически на величину исходного зазора между стенками. Вторая область является областью сварки и ее протяженность составляет 68-72% длины заготовок. Здесь происходит образование качественного взрывосварного соединения, причем металлы свариваемых заготовок в приграничных слоях деформируются совместно. Третья - область вторичного пластического обжатия, протяженность которой достигает 10-15% длины заготовок, она чаще всего имеет коническую форму и степень обжатия в ней зависит от размера заготовок. Из этих частей биметаллических заготовок изготовляют, как правило, качественные биметаллические изделия. В этой области реализуется плоскодеформированная схема пластической деформации с локализацией деформации в зависимости от удаления от контактной поверхности (рис. 15). В четвертой области, длина которой не превышает 8-10% длины заготовок, появляется вторичная зона сварки с совместным обжатием сварных заготовок. Механические и служебные свойства в четвертой области нестабильны и, как правило, ниже, чем во второй области. В приконтактной зоне образуются участки с интерметаллидными включениями и различными дефектами [42].

Таким образом, для получения биметаллического соединения необходимо образование начальной области, в которой под действием высокоскоростной деформации и контактного трения металл привариваемой заготовки вовлекает в процесс образования соединения металл плакируемой заготовки. После этого следуют области совместной ПД, в которых происходит выход процесса деформирования на установившийся режим сварки. Причем в приконтактных слоях реализуется механическая схема плоской деформации. В конечной области процесс деформирования теряет устойчивость из-за влияния граничных условий взрывного нагружения и процесс сварки затухает.

Данные о коррозионной стойкости биметаллов, полученных сваркой взрывом, весьма ограничены, несмотря на очевидную актуальность таких исследований. Отчасти это объясняется тем, что неблагоприятное изменение структуры и свойств плакирующего слоя ввиду локальности температурно-силового воздействия при сварке взрывом, как правило, происходит в узкой приконтактной зоне, в то время как наружные слои металла, непосредственно соприкасающиеся со средой, обычно сохраняют свои свойства. Однако при изготовлении и эксплуатации крупногабаритных сооружений с большой площадью плакирующего слоя неизбежно возникновение в нем дефектов различного происхождения, открывающих доступ агрессивной среды к внутренним слоям металла вблизи зоны соединения. Кроме того, в результате проведения указанных формоизменяющих операций в зоне соединения может происходить локальное расслоение биметалла с последующим попаданием в образовавшийся щелевой зазор атмосферной влаги или агрессивной рабочей среды. Таким образом, вероятность развития коррозионного и коррозионно-механического разрушения резко увеличивается [39].

В этой связи оценка свариваемости и коррозионной стойкости биметаллических соединений, полученных сваркой взрывом, с учетом поведения материала при последующем формоизменении несомненно представляет научный и практический интерес

Исследовали одно- и многослойные крупногабаритные биметаллические пластины, в которых плакирующим слоем является аустенитная хромоникелевая сталь 18-9, а материалом основной пластины - углеродистая сталь 20.

Эксперименты отличались по типу взрывчатых веществ и высоте засыпки взрывчатого порошка между соударяемыми пластинами.

Испытания на изгиб проводили согласно стандарту. Из каждой биметаллической пластины отбирали две партии образцов для испытания с расположением плакирующего слоя соответственно снаружи и изнутри. Каждая партия включала не менее двух образцов, результаты испытаний по которым усредняли.

Согласно методике испытаний, образцы подвергали статическому изгибу вокруг оправки, радиус которой вдвое превышал толщину образцов. По требованию стандарта испытания прекращали при достижении угла изгиба не менее 180° и расположении плакирующего слоя изнутри и не менее 150° при расположении его снаружи. При испытаниях фиксировали нагружающее усилие, а после изгиба образцы тщательно осматривали с целью выявления трещин на поверхности пластин и в зоне соединения

В случае где для образования сварного соединения использовали наименьшее количество взрывчатого вещества (ВВ). привело к более низким волновым параметрам зоны соединения и соответственно - понижению прочности сварного соединения. Характер повреждения образцов при изгибе отражает рисунок 16. Видно, что трещины на поверхности плакирующего слоя при его расположении снаружи возникают еще до изгиба на максимальный угол. При расположении плакирующего слоя внутри происходило расслоение зоны соединения, что свидетельствует о неудовлетворительном качестве сварки.

Рис. 16. Разрушение биметалла после испытания на изгиб

Коррозионную стойкость биметаллов оценивали при испытании зоны соединения на стойкость против межкристаллитной коррозии (МКК). Продолжительность анодного травления составляла 5. 10 и 15 мин. Согласно имеющимся данным, аустенитные хромоникелевые стали типа 18-9 при наличии растягивающих напряжений могут проявлять повышенную склонность к МКК в сернокислотных средах [12].

Ускоренному развитию МКК в указанных сталях способствует также предварительная пластическая деформация до 5%. Поэтому для определения влияния на стойкость против МКК испытывали различные участки образцов после изгиба После испытания анодное пятно на поверхности образцов исследовали с помощью оптического микроскопа. Результаты контроля показали, что для всех испытанных вариантов плакирующий слой сохраняет свои антикоррозионные свойства на высоком уровне даже после пластической деформации изгиба. Пластическая деформация биметалла, полученного сваркой взрывом, не приводит к ухудшению его коррозионной стойкости. Биметаллические пластины, полученные сваркой взрывом, сохраняют высокую прочность и коррозионную стойкость и могут быть использованы для изготовления оболочковых конструкций [42].