Специальные виды сварки

которые определяются большей степенью затрудненности пластической деформации и релаксации напряжений, что дополнительно обусловливает еще большую величину накопленной деформации, требуемой для образования прочного соединения, по сравнению со способами сварки в твердом состоянии при повышенных температурах.

Для оценки большого значения окисных пленок при холодной сварке полезно привести данные по схватыванию металлов в глубоком безмасленном вакууме под давлением с предварительным удалением окисных пленок механической зачисткой поверхностей (рис. 6 и табл. 3).

3. Влияние вакуума на деформацию схватывания меди под давлением в течение 1 мин [3]

Эти данные показывают, что схватывание в вакууме зависит не от р и в отдельности, а от их произведения, так как оно определяет толщину адсорбируемого слоя газов и появляющейся затем окисной пленки на ювенильной поверхности металла. Мономолекулярный слой адсорбированных газов (при pi = = 3-10 8 мм рт. ст.-мин) служит препятствием для холодной сварки, а появление окисной пленки и рост ее толщины (вобласти рот 10 до 10~мм рт. ст.-мин) резко увеличивает ej (см. рис. 5).

Сопоставление данных о величине е-, при сварке на воздухе и в глубоком вакууме для таких пластических металлов, как алюминий и медь (см. табл. 1, 2, 3 и рис. 5), показывает, что вклад деформации, необходимой для разрушения и удаления окисных пленок, в общую деформацию схватывания е,; является решающим и составляет примерно около 80-90%. Следует полагать, что эта деформация обеспечивает развитие не только физического контакта, но и всех других стадий процесса образования соединения, включая и активацию контактных поверхностей и объемное взаимодействие.

Для менее пластичных металлов, особенно с ОЦК-решеткой (железо, ниобий ц т. д.), величина деформации схватывания Bjj значительно превышает деформацию, необходимую для разрушения и удаления окислов, так как из-за невозможности схватывания этих металлов по всей поверхности соединения остающиеся несплошности, как концентраторы напряжений, не позволяют вследствие хрупкого характера разрушения реализовать прочность, пропорциональную общей площади схватывания. Существенную роль при сварке этих металлов играют также сильное деформационное упрочнение зоны контакта, большая величина упругой деформации, последействия в процессе разгрузки после сварки и затрудненность релаксации напряжений при комнатной температуре. Поэтому для достижения достаточно высокой прочности соединения требуется существенное увеличение общей деформации схватывания ejj, с тем чтобы уменьшить размер несплошностей между мостиками схватывания до величин, при которых они уже не могут служить опасными концентраторами напряжений.

СВАРКА ВЗРЫВОМ

]варка взрывом по виду вводимой энергии относится к группе механических процессов соединения металлов. При ней химическая энергия превращения заряда взрывчатого вещества (ВВ) в газообразные продукты взрыва трансформи-

Сварка взрывом

руется в механическую энергию их расширения, сообщая одной из свариваемых частей большую скорость перемещения. Кинетическая энергия соударения движущейся части с поверхностью неподвижной части затрачивается на работу совместной пластической деформации контактирующих слоев металла, приводящей к образованию сварного соединения. Работа пластической деформации переходит в тепло, которое вследствие адиабатического характера процесса из-за больших скоростей может разогревать металл в зоне соединения до высоких температур (вплоть до . оплавления локальных объемов).

Принципиальная схема сварки взрывом показана на рис. 7. На основании / (земляной грунт, дерево, металл и т. п.) расположена одна из свариваемых деталей 2 (в простейшем случае пластина), над ней параллельно с определенным зазором h расположена вторая деталь 3 на технологических опорах 4. На ее внешней поверхности находится заряд ВВ 5 заданной высоты Я и площади, как правило, равной площади пластины 3 (наиболее широко применяемые для сварки взрывом насыпные В В помещаются в открытом контейнере соответствующих размеров). В одном из концов заряда ВВ находится детонатор 6. if

При инициировании заряда ВВ по нему распространяется фронт детонационной волны со скоростью D, лежащей для существующих ВВ в пределах 2000-8000 м/с, определяющейся их химическим составом и физическим состоянием. Образующиеся позади него газообразные продукты взрыва в течение короткого времени по инерции сохраняют прежний объем ВВ, находясь в нем под давлением 100-200 тыс. ат, а затем со скоростью 0,50-0,75 D расширяются по нормалям к свободным поверхностям заряда, сообщая находящемуся под

Рис. 7. Принципиальная схема сварки взрывом

2 1

Рис. 8. Схема установившегося процесса сварки взрывом:

/ - фронт детонационной волны; 2 - фронт разлета продуктов взрыва ВВ; 3 - фронт волны разрежения; D - скорость детонации В В; - Нормальная составляющая скорости соударения контактирующих поверхностей; - скорость движения вершины динамического угла встречи контактирующих поверхностей v в направлении сварки (v = D)

НИМИ участку металла импульс, под действием которого объемы изделия после довательно вовлекаются в ускоренное движение к поверхности неподвижной части металла и со скоростью v. соударяются с ней. При установившемся процессе метаемая пластина на некоторой длине дважды перегибается, ее наклонный участок со скоростью v = D движется за фронтом детонационнойволны, а участок перед ее фронтом с непродетонировавшей частью заряда ВВ под действием сил инерции продолжает занимать исходное положение (рис. 8).

Высокоскоростное соударение метаемой части металла с неподвижной развивает в окрестностях движущейся вершины угла у встречи их контактирующих поверхностей давления - 10 кбар. Вызываемое им всестороннее неравномерное сжатие с наиболее благоприятными условиями для пластического течения в направлении процесса сварки благодаря наличию свободной поверхности перед вершиной угла у и возникновению тангенциальной составляющей ckoj рости заставляет металл поверхностных слоев обеих соударяющихся частей

совместно деформироваться в этом же направлении со скоростью t K, что приводит к тесному сближению свариваемых частей. При этом процессе окисные пленки и другие поверхностные загрязнения дробятся, рассредоточиваются, а также выносятся из вершины угла у под действием кумулятивного эффекта.

Таким образом, реализуется известная способность металлов образовывать прочные металлические связи в твердой фазе при создании между соединяемыми поверхностями физического контакта и условий для электронного (химического) взаимодействия между ними. Требующаяся для второй стадии процесса энергия активации обеспечивается за счет работы пластической деформации и вызывае-

дай

щтт.

Рис. 9. Типичная граница раздела взрывом. Вверху - ниобий, внизу -

металлов в соединениях, сваренных медь (ХЮО)

мого ею нагрева. Объемная диффузия из-за скоротечности процесса, даже несмотря на нагрев, развиваться не успевает, что позволяет широко применять сварку взрывом для соединения разнородных металлов и сплавов - граница раздела металлов обычно резко выражена и имеет вид регулярных синусоидальных волн (рис. 9).

Параметры режима сварки. Динамическими параметрами процесса сварки взрывом являются скорость соударения контактирующих поверхностей v; скорость движения вершины угла встречи контактирующих поверхностей вдоль соединения и; кинетическая энергия соударения свариваемых частей W (отнесенная для удобства к единице площади соединения).

При соударении свариваемых частей по ним распространяется система ударных волн - упругой и следующей за ней пластической, последняя из которых возникает при развитии в окрестностях вершины угла у определенного динамического давления р и приводит к совместной пластической деформации контактирующих слоев металла. Средняя величина давления р зависит от скорости v, физических свойств свариваемых металлов и определяется с помощью ударных

адиабат, построенных в координатах р - и для многих применяемых в технике металлов и сплавов {и - масссжая скорость частиц металла за фронтом ударной волны). При известном значении v. на ударную адиабату металла неподвижной части накладывают зеркальное отображение ударной адиабаты метаемой части, располагая ее начальное состояние в точке А с абсциссой и - ордината точки пересечения адиабат В при этом дает искомую величину р (рис. 10).

Скорость Ос зависит от скорости детонации D, плотности pg и высоты Н заряда ВВ, толщины б и плотности Рпл метаемого металла, а также исходного расстояния h между контактирующими поверхностями. Существует два метода определения величины Ос - экспериментальный и расчетный. Первый заключается в скоростном фотографировании момента установившегося процесса сварки взрывом в вакуумных камерах с помощью фоторегистров типа СФР или рентгеновских импульсных установок.

, Обработка фотографий позволяет определять величины углов y и по ним при известных значениях скорости детонации D рассчитывать значения v. Не требующим сложного оборудования и камер является хронографический метод, основанный иа регистрации с помощью катодных осциллографов промежутков времени между замыканиями метаемой части двух электрических контактов, торец одного из которых расположен заподлицо с контактирующей поверхностью неподвижной части, а торец второго почти вплотную примыкает к контактирующей поверхности метаемой. Изменение от опыта к опыту расстояния h позволяет строить графики путь - время, а по ним с помощью графического дифференцирования

i вычислять значения v.

Точных расчетных формул £>с пока получить не удалось из-за сложности расчетной схемы и большого числа переменных величин, определяющих процесс соударения металлических тел при сварке. Из приближенных формул можно рекомендовать следующую:

Рис. 10. Зависимость среднего давления р, развивающегося в окрестностях вершины угла у, от скорости y:

ОВМ и НВА - ударные адиабаты материала неподвижной и метаемой пластин

1-11

4брпл/

В формулу не входит величина Н, так как предполагается, что двилсущийся участок пластины на всем пути h находится под действием импульса от разлета продуктов взрыва (т. е. время их разлета с поверхности движущегося участка

превышает время движения последнего от исходного положения до соударения с неподвижной пластиной).

Пластическая деформация металла с помощью известного дислокационного механизма возможна со скоростями, меньшими скорости распространения плссти-ческих волн сжатия с. Поэтому для создания в зоне соударения свариваемых Частей физического контакта и реализации в нем механизма образования актив-

ных центров скорость должна быть меньше скорости с, в противном случае Металл не успеет деформироваться, и сварки не произойдет. Это условие легко выполняется путем применения ВВ соответствующего типа, так как при сварке по схеме рис. 2 % = D, а величину с при известных физических константах свариваемых металлов можно рассчитать по распространенным уравнениям физики взрыва и теории ударных волн из условий сохранения состояния твер-

дых тел под интенсивным давлением. С приемлемой для приближенных оценок точностью величина с может быть определена также по формуле

р - плотность металла,

где k - модуль объемного сжатия металла, кгс/см; (КГС/СМ2) . (cVcm).

С этих позиций в настоящее время объясняется первоначальная реализация сварки взрывом по так называемой угловой схеме (с исходным расположением контактирующих поверхностей под некоторым углом а), снижавшей скорость до величин, меньших с, при применении ВВ со скоростями детонаций D с (например, гексогена) по следующей зависимости:

sin(v-a) sm Y

Опыты показывают, что для ряда сочетаний металлов (титан - сталь, алюминий - сталь и т. п.) выполнение условия Dk < с является необходимым, но недостаточным. Прочность их соединений продолжает расти с уменьшением и в дозвуковой области . При этом нижний предел возможного уменьшения пока составляет 1800-2000 м/с и определяется производством ВВ с этой минимально возможной величиной D.

Для создания прочного соединения металл в зоне соударения должен быть в определенной степени пластически продеформирован, чтобы в течение очень короткого времени, определяющегося скоростью сварки, разорвать подавляющую часть химических связей на обеих контактирующих поверхностях и заменить их новыми. Требуемая энергия активации этого процесса при сварке взрывом может развиваться только в результате пластической деформации металла в вершине угла у, степень которой обусловливается расходуемой на нее долей кинетической энергии соударения свариваемых частей. Последняя определяется из энергетического баланса сварки взрывом

W==Wi + W, + Ws, (4)

где W - удельная кинетическая энергия соударения свариваемых частей; Wi - удельная кинетическая энергия системы сваренных частей; - удельная кинетическая энергия, затраченная на пластическую деформацию прилегающих к контактирующим поверхностям слоев металла; W- - удельная энергия, уносимая из свариваемой системы с металлом под действием кумулятивного эффекта.

В свою очередь.

пцгщ

2(mi+m2) Ч

i-o.. , (6)

2( ТЧУ

где, помимо уже ранее введенных обозначений, и - соответственно удельные массы метаемой и неподвижной частей. В приведенном балансе не учитываются диссипативные потери на колебания соударяющихся тел и нагрев метаемого тела продуктами взрыва ВВ из-за незначительности их величин.

\С С

Таким образом, если задаться определенными значениями v, vviW (или W<, можно рассчитать основные технологические параметры сварки Н, h, D и pg. Однако разработку технологических процессов сварки взрывом пока приходится осуществлять экспериментально - расчетным путем нельзя из-за отсутствия данных о величинах необходимых давлений и деформаций для получения прочных соединений между заданными сочетаниями материалов, а также количественных связей между величинами и деформации металла. Результаты отдельных исследований показывают, что величины необходимых для образования равнопрочных соединений минимальных давлений р примерно на порядок превышают статический предел текучести свариваемых металлов и, видимо, должны корре-лироваться с его динамической величиной при данных скоростях деформации (табл. 4).

4. Результаты исследований

Данных о минимальных пластических деформациях, обеспечивающих равнопрочность сварных соединений, из-за сложности и трудоемкости опытов еще меньше: равнопрочность соединений СтЗ + СтЗ достигается при 36% максимальных сдвигов на границе раздела металлов, в соединениях СтЗ + А1 - при 6% со стороны стали.

В дополнение к рассмотренным динамическим параметрам сварки взрывом можно также отнести производный от скоростей и % угол встречи контак-, тирующих поверхностей у и время t действия в окрестностях его вершины давления р, оценка роли которых в процессе сварки исследуется.

Особенности микронеоднородности сварных соединений. Физическая и химическая микронеоднородность, являющаяся общей чертой всех сварных соединений из-за местного приложения энергии при сварке взрывом разделяется на 10 основных видов, обусловленных характером и параметрами этого процесса, свойствами и сочетаниями соединяемых материалов.

Рис. 11. Схема определения относительной суммарной протяженности физической микро-неоднородности второго вида и зависимость от нее относительной прочности сварных соединений:

Од - прочность сварных соединений без микро-Неоднородности второго вида и Од - с дан-

, ной протяженностью этой микронеоднородно-сти; Д - сталь 12X18H10T + СтЗ; □ - сталь 0Х23Н28МЗДЗТ-f СтЗ; х - сталь ХН75МБТЮ + + СтЗ; О - титан BT6 + сталь 10Г2СД; О -

сплав Х15П55М16В -- СтЗ

40 60 b/L-m%