Сварка взрывом

Разнообразные виды энергии, используемые для образования соединения в твердой фазе, включают в себя и энергию взрыва. Большие удельные давления, скоротечность протекания процессов сварки — характерные черты этого метода.

Взрывчатое вещество (ВВ) обычно укладывают равномерным слоем непосредственно на деталь (рис. 3.27, а, в), иногда для некоторого смягчения удара между зарядом и деталью помещается прокладка из резины или пластика (рис. 3.27, г). Образование соединения происходит в результате соударения верхней (метаемой) пластины с нижней. Ударной волной взрыва осуществляется и необходимая для сварки очистка от загрязнений свариваемых поверхностей.

Более подробно процесс сварки взрывом и некоторые его закономерности можно представить следующим образом. После инициирования детонатором взрыва заряда ВВ с огромной скоростью по заряду распространяется плоская детонационная волна. Позади движущейся плоской детонационной волны остаются продукты взрыва. Давление в их объеме составляет 10—20 ГПа. За счет этого давления части верхней детали, расположенной в зоне действия продуктов взрыва, сообщается ускорение в направлении к неподвижной детали. Силовое воздействие на участки верхней пластины происходит последовательно по мере перемещения фронта детонации и в любой промежуточный момент времени установившегося процесса сварки положение свариваемых деталей будет таким, как показано на рис. 3.27, б. Та часть верхней пластины, где детонация ВВ еще не произошла, находится в исходном положении параллельно нижней, а где прошел фронт детонации, пластины будут уже сварены (участок I между точками Л и В). В итоге верхняя пластина получит в процессе сварки двойной изгиб, причем точка В непрерывно и с большой скоростью переместится вправо. При паралдельном положении пластин до сварки скорость перемещения точки В (v_c) равна скорости детонации (у_д).

Рис. 3.27. Схема сварки взрывом:

а, в — исходное положение деталей; б — установившийся процесс сварки; г — сварка без начального зазора; 1 — детонатор; 2 — взрывчатое вещество; 3 — верхняя деталь; 4 — нижняя деталь; 5 — основание

Скорость детонации зависит от вида взрывчатого вещества и его плотности. При взрыве скорость детонации в зависимости от типа ВВ изменяется в пределах 2500—6600 м/с (применительно к аммонитам и гексогенам).

Под влиянием давления газов верхняя (метаемая) пластина приобретает ускорение. Ее скорость в момент соударения с нижней деталью определит величину давления, поэтому скорость соударения v_b является одним из важнейших параметров режима сварки взрывом:

где р_вв — плотность ВВ; р_м — плотность металла метаемой пластины; h₀ — начальный зазор между пластинами; 5_М — толщина метаемой пластины.

При соударении свариваемых пластин в металле возникает упругая ударная волна, а затем, если величина давления достаточна и превышает некоторое критическое значение, — пластическая. Под влиянием последней увеличивается число дислокаций и, следовательно, число активных центров, что активизирует процесс взаимодействия между свариваемыми поверхностями. Именно дислокационный механизм взаимодействия наиболее часто встречается при объяснении сущности образования соединения при сварке взрывом. Имеются теоретические расчеты максимальных температур в объеме отдельных кристалитов в момент соударения. Из них следует, что благодаря энергии взрыва при ударе пластин друг о друга происходит некоторый нагрев и даже оплавление отдельных кристаллитов. В этом случае характер строения сварного шва при сварке взрывом должен отличаться от строения швов, например, при диффузионной сварке, где оплавления даже в микрообъемах не происходит. Таким образом, кроме работы пластической деформации, энергия активации, необходимая для сварки взрывом, обеспечивается и в результате нагрева. Так как движение метаемой пластины происходит под некоторым углом к неподвижной, то в поверхностных слоях металла возникают тангенциальные напряжения. Некоторый сдвиг при сварке деталей друг относительно друга способствует сближению свариваемых поверхностей, возникновению металлических связей.

Возникновение прочной металлической связи даже при наличии большого давления невозможно, если в процессе сварки не очищена свариваемая поверхность деталей. По всей вероятности эту роль выполняет кумулятивная (направленная) воздушная струя, которая образуется при сближении с огромной скоростью свариваемых деталей. Скорость самой струи достигает 6000—7000 м/с, и поэтому она оказывает большое давление на металл. Кумулятивная струя несомненно способствует очистке металла от загрязнений и созданию на поверхности металла волнового («пилообразного») профиля. Волновая конфигурация границы раздела металла при сварке взрывом, как правило, легко различается при исследовании структуры сварных соединений.

Как показывает практика, поверхность лучше очищается при сварке деталей, предварительно наклоненных на некоторый угол а (см. рис. 3.27, в). Для расчетного определения угла а, который является одним из основных параметров режима сварки взрывом, можно воспользоваться следующим выражением для случая дозвукового соударения простых пластин:

где а — минимальный угол наклона; v_B — скорость верхней пластины при пренебрежительно малой деформации; у_д — скорость детонации; v_s — скорость звука в пластинах.

Обычно детали располагают друг относительно друга под углом а = = 2н-16° и с первоначальным зазором h₀ - 2-НЗ мм. Однако возможна сварка взрывом деталей и без зазора (см. рис. 3.27, г). В таком случае детали свариваются, очевидно, вследствие некоторого относительного сдвига, а также зазора, который образуется под влиянием неизбежной деформации нижней пластины и основания, на котором она находится.

Перед сваркой поверхность деталей должна быть подготовлена, несмотря на то, что она очищается в результате взрыва. Прежде всего, тщательно обезжиривают свариваемые детали, так как пленка масла затрудняет образование сварного соединения. Затем удаляют с поверхности оксиды с помощью механической зачистки или химического травления, а свариваемые поверхности зачищают до металлического блеска. При сварке взрывом по поверхности деталей распространяется пластическая волна сжатия. Пластическая деформация, активизирующая процессы образования сварного соединения, протекает со скоростью, не превышающей скорости распространения в металле пластических волн. Если скорость детонации, равная скорости перемещения точки соударения В (см. рис. 3.27, б), окажется больше скорости пластической деформации, то сварки не произойдет, и, наоборот, если скорость детонации и скорость перемещения точки В будет меньше скорости пластической деформации, то сварное соединение образуется. Условием сварки взрывом, таким образом, должно быть выполнение неравенства v_c < с, где v_c — скорость перемещения точки соударения; с — скорость в металле пластических волн сжатия.

При сверхзвуковой скорости детонации отраженная от нижней поверхности пластины волна может разрушить сварное соединение. Скорость детонации определяется соответствующим выбором взрывчатых веществ (у_д ~ 2500+3500 м/с).

Скорость распространения пластических волн сжатия зависит от свойств свариваемых металлов и может быть приближенно определена соотношением

где к — модуль объемного сжатия металла; р — плотность металла.

На практике для определения режимов сварки взрывом подбирают последовательно необходимую скорость детонации, величину зазора h и угол наклона а.

Скорость соударения v_B зависит от перечисленных параметров режима. Она должна быть такой, чтобы соединение получилось с полным проплавлением. При скорости соударений больше оптимальной в свариваемых пластинах может произойти повреждение металла.

Давление, необходимое для образования монолитного соединения, значительно выше предела текучести материала и зависит от толщины слоя заряда и времени сварки (рис. 3.28).

Рис. 3.28. Зависимость давления р от времени сварки f и толщины слоя

заряда Н

Минимальное присутствие хрупких интерметаллических составляющих в шве из-за кратковременности образования соединения является достоинством сварки взрывом. С помощью взрыва можно сваривать металлы, которые другими методами практически не свариваются или дают такие сварные соединения, которые не соответствуют требованиям эксплуатации.

Благодаря энергии взрыва происходит сварка практически по неограниченной поверхности. Таким образом получают биметаллические материалы, которые применяют в конструкциях непосредственно после сварки или после прокатки, с помощью которой изготавливают листы необходимых размеров и толщины.

Сваркой взрывом можно получить не только двухслойный, но и многослойный биметаллический материал. Такие материалы обладают сочетанием благоприятных качеств, например высокой прочностью и пластичностью, коррозионной стойкостью и т.п. и широко используются в ряде конструкций и узлов летательных аппаратов.

Кроме плоских деталей, с помощью сварки взрывом сваривают детали и более сложной формы: заготовки биметаллических переходников для бесфланцевого соединения трубопроводов из разнородных металлов, облицовывают цилиндрические детали. В конструкциях летательных аппаратов встречаются различные теплообменники, в массивные плиты которых приходится вваривать большое число тонкостенных трубок. Сварка плавлением из-за существенной разницы толщин свариваемых деталей достаточно трудна, поэтому сварка взрывом для подобных конструкций является одной из наиболее рациональных. Кроме того, эта сварка применяется для некоторых композиционных материалов.

Сварка взрывом осуществляется в полигонных условиях или в специальных камерах (боксах), из которых откачивается воздух для ослабления ударной волны. Это упрощает решение вопросов обеспечения безопасности работ. Однако при сварке в камерах размеры свариваемых деталей ограничены размерами камер. Поэтому рекомендуется сварку взрывом производить в полигонных условиях для крупногабаритных изделий, а в камерах — для средне- и малогабаритных.

В последнее время, так же как и холодная, сварка взрывом применяется в сочетании со штамповкой. Производя штамповку взрывом многослойных деталей, в ряде случаев осуществляют одновременно и сварку по поверхности их контакта.