Сварка взрывом

Сварка взрывом  идеально подходит для выполнения плоских  соединений на больших площадях между  металлическими плитами или листами. Размера плакированных плит (длинна и ширина) ограничивается в основном размером поставляемых заготовок, а не техническими возможностями сварки взрывом.

На сегодня  около 80% мировой продукции, полученной с применением сварки взрывом, составляют плакированные плиты, применяемые  главным образом для изготовления коррозионно- и износостойкого оборудования (рис 2).

Рисунок 2 Плакированные взрывом плиты титан (10 мм) + сталь (117 мм) размером 2200×8000 мм.

Около 10% продукции  – это биметаллические переходники, широко используемые в промышленности при выполнении разнородных соединений (рис 3), например, алюминия со сталью. Диапазон изделий этого типа составляет от бронированных мишеней до мишеней ионного распыления и электронных монтажных плат.

Рисунок 3 Сварные переходники из разнородных металлов.

Сварка взрывом  является высокоуневирсальной технологией, которая может использоваться для  соединения промышленных металлов почти  в любом состоянии, приемлема  также для соединений как одно-, так и разнородных металлов. Последнее  стало важным стимулом для промышленного развития этой технологии. В настоящее время с помощью сварки взрывом получают надежные соединения алюминия и титана со сталью. Качественное соединение этих металлов достигнуто благодаря отсутствию значительного нагрева, поскольку при сварке взрывом нет временно-температурных условий, необходимых для диффузии и формирования хрупких интерметаллидов.

В настоящее  время основное применение сварки взрывом  – изготовление крупных плоских  плакированных плит с различным  сочетанием материалов (таб 1). Плиты,  плакированные взрывом, могут легко деформироваться в цилиндрические заготовки и днища при изготовлении промышленного оборудования (реакторы, колонны, компоненты теплообменников).

Таблица 1- тепичные сочетания материалов в биметаллах, полученных сваркой взрывом

Плакирующий металл	Основной металл (лист,  плита, поковка)
Алюминий и  его сплавы	Плиты: Углеродистые  стали
Медь, латунь, бронза, Cu-Ni
Никель и  его сплавы	Легированные  стали
Аустенитные нержавеющие  стали	Нержавеющие стали
Ферритные-мартенситные нержавеющие стали	Алюминий
Нержавеющие дуплекс-стали	Медь

 

2 Технология сварки взрывом и технологические возможности метода

 

Сваркой взрывом освоена  достаточно широкая номенклатура материалов как в однородном, так и в  разнородных сочетаниях: инструментальные стали, медь, алюминий, титан и сплавы на их основе, ванадий, ниобий, серебро, молибден, вольфрам, цирконий, магний, цинк и др. Наибольший интерес представляет соединение разнородных материалов. Метод позволяет получать двух- и многослойные соединения, композиционные материалы [1 стр 494].

Накопленный к настоящему времени обширный материал свидетельствует  о том, что в процессе высокоскоростного  соударения металлических пластин  затрачиваемая на пластическую деформацию приконтактных объемов металла энергия определяется совокупным действием трех основных параметров: температуры, давления и времени, в течении которого металл пластически деформируется. Эти параметра тесно взаимосвязаны между собой и, в конечном итоге, обуславливают прочность сформировавшегося в твердой фазе соединения [4 стр 6].

Основным типом соединения является нахлесточные, выполняемое по плоскости, цилиндрическим и криволинейным поверхностям. Принципиальных ограничений по площади заготовок нет. Соотношение свариваемых толщин могут колебаться в широких пределах. Максимальная толщина неподвижной заготовки не лимитируется. Толщина метаемой заготовки обычно лежит в диапазоне 0,3…19 мм. Максимальная ее толщина определяется пластичностью материала. Минимальная толщина метаемой заготовки ограничивается нарушением устойчивости процесса детонации взрывчатого вещества при уменьшении толщины заряда ниже определенного значения. Получаемые сварные соединения равнопрочны основному металлу. В них отсутствуют какие - либо загрязнения. Неравномерная деформация приводит к возникновению значительных остаточных напряжений, которые могу быть устранены последующей термической обработкой.

Этим методом можно  соединять детали в труднодоступных  для сварочных аппаратов зонах, в различных пространственных положениях, во внутренних полостях изделий и при необходимости сварки одновременно в нескольких местах. Удается получать изделия с внутренними полостями и каналами, предварительно созданными на не подвижной заготовке и заполненными любым легко удаляющимся веществом (воск, парафин, парафин, свинец). Производительность метода высока и определяется, по существу, только затратами времени на подготовительные операции. При внедрении метода не требуется больших единовременных затрат.

Однако надо иметь в  виду необходимость строгого соблюдения техники безопасности при работе с взрывчатым веществом. При использовании навесок взрывчатого вещества больше нескольких килограммов сварку приходится вести на полигоне. Требуется защита персонала от звуковой волны. При сварке в помещении нужна вентиляция для удаления вредных газов.

Технология сварки. Номенклатура операций при изготовлении изделий методом сварки взрывом включает в себя: механическую обработку соединяемых поверхностей; травление заготовок (с последующей мойкой и сушкой); обезжиривание свариваемых поверхностей; сборку заготовок, укладку взрывчатого вещества и установку детонатора; производство взрыва (собственно сварка); термическую обработку и правку.

Подготовка  к сварке. Качество сварки взрывом определяется в первую очередь процессами, происходящими впереди точки контакта, - очисткой и активацией соединяемых поверхностей. Поэтому для достижения прочного соединения в начале процесса сварки взрывом, исключения образования начальных непроваров и участков с пониженной прочностью необходимо обеспечить требуемые параметры ударно-сжатого газа и образования слоя плазмы для очистки и активации свариваемых поверхностей [5 стр 46]. Необходимость механической обработки, травления и термообработки готового изделия зависит от марки свариваемого материала, исходного состояния поверхностей заготовок и требований к соединению. Механическая обработка оказывается нужной, если на поверхностях имеется окалина (при плакировании слябов). При сварке труб с трубными досками может потребоваться расточка отверстия в доске или обточка трубы для создания зазора определенной геометрии между заготовками. Необходимый угол наклона может быть также получен за счет пластической деформации конца заготовки (обжатие или раздача на конус, отгиб края пластины). Для аустенитных сталей, алюминиевых и титановых сплавов, других материалов применяют травление. Эту операцию выполняют за 2..5 часов до сварки. Обезжиривание способствует стабилизации качества и проводится непосредственно перед сваркой. Очень распространена следующая последовательность трехстадийного процесса образования прочных связей между атомами соединяемых металлов при сварке взрывом: очистка и активация контактных поверхностей ударно-сжатого газа и тонкими плазменными потоками; образование физического контакта в точке соударения; объемное взаимодействие с формированием соединения и пластической деформацией за точкой контакта [5 стр 48].

Сборку осуществляют на месте производства взрыва. Основное внимание обращают на обеспечение заданного зазора и равномерного распределения взрывчатого вещества. Допускаемая местная кривизна или прогиб заготовки лежит в пределах 1…3 мм на 1 м длины. При сварке цилиндрических заготовок овальность и разностенность ограничиваются несколькими процентами. При наружном плакировании относительно тонкостенной заготовки для предотвращении ее деформации в процессе взрыва либо внутренняя полость заполняется какой –нибудь   жидкостью (вода, битум), либо внутрь вставляется массивная оправка. При плакировании полой заготовки с внутренней стороны массивная оправка устанавливается снаружи. 

На поверхности  метаемой заготовки может укладывается прокладка (буферный слой) из неметаллических  материалов для смягчения бризантного  действия взрывчатого вещества на металл. Дозировка и крепление взрывчатого вещества от его вида: порошок, гранулы, шнур, пластины. Сборка завершается установка детонатора и монтажом электрической цепи подрыва.

Выбор основных параметров режима. Условие сварки при конкретных заготовках в массе взрывчатого вещества определяются тремя физическими параметрами: скоростью распространения фронта детонации; скоростью развиваемой метаемой пластиной к моменту соударения заготовок, и углом, образованным соединяемыми поверхностями в «точке» соударения [1 стр 496].

Реальная скорость соударения заготовок при сварке зависит от зазора. При зазоре равным нулю скорость равна нулю для любого значения толщины слоя взрывчатого вещества. Сваривание при этом не происходит. При чрезмерном повышении скорости (при увеличении толщины слоя взрывчатого вещества и зазора) в соединяемых заготовках образуются сколы и трещины. При очень большом зазоре сваривание также не происходит. Таким образом, существует оптимальное значение зазора.

Скорость детонации  зависит от природы взрывчатого вещества, его плотности, влажности, дисперсности частиц, геометрических размеров заряда. Для конкретной марки взрывчатого вещества эти параметры известны. Поскольку контролировать физические параметры процесса не удобно, то технологические параметры принимают для выбранной марки взрывчатого вещества толщину его слоя , начальный зазор и угол.

При выборе значений параметров сварки можно руководствоваться  следующими рекомендациями. В качестве взрывчатого материала выбирают взрывчатое вещество и их смеси, имеющие скорость детонации меньше скорости распространения звуковой волны в свариваемом материале. При соблюдении такого условия в приповерхностных слоях во время соударения заготовок успевает развиться пластическая деформация. В противном случае возникают резко локализованные ударные волны, разрушающие металл. Примерами используемых взрывчатых веществ могут быть [9, стр 16]:

1. механическая смесь аммонита 6ЖВ и гранулированной аммиачной селитры и в соотношении по массе (1:4) – (1:2);
2. смесь тротила [3% (мас.)] и аммиачной селитры [97% (мас.)].

Для приварки тонких заготовок (2…3 мм) может использоваться низкоипульсное  листовое взрывчатое вещество, представляющее собой поролоновый  лист, пары которого заполнено кристаллическим  взрывчатым веществом.

Давление в  зоне соударения должно быть p˃kσ_т, где σ_т – предел текучести металла при статическом нагружении; k – коэффициент, зависящий от механических свойств свариваемых материалов. Обычно k = 10..50 (большие значения относятся к отожженному, меньшее к наклепанному металлу).

При выборе установочного  зазора h можно руководствоваться  соотношениями h˃0,5δ_м. Установочный угол α обычно выбирают в переделах 2..7^о. При сварке по схеме с параллельном расположением заготовок конец метаемой заготовки со стороны установки детонатора отгибается на угол порядка 2^о на длине ~ 150 мм. Зазор h обычно 6..8 мм. На практике при обработке технологии, как правило, выбирают взрывчатое вещество со скоростью детонации 3000..4000 м/с и корректируют режим, изменяя зазор h в большую и меньшую стороны и тем самым меняя скорость соударения.

Оборудование  применяемое при сварке взрывом. Сварка чаще всего ведется на полигонах. Заготовки устанавливают на массивных плитах или на грунте. В заводских условиях процесс можно вести в специальных камерах, в которых создается разрежение порядка 500…1000 Па. Сварка в камере производится при массе взрывчатого вещества, не превышающих нескольких килограммов. В полигонных условиях мощность может составлять 10…100 кг. Для сварки больших по размеру заготовок полигоны должны быть оборудованы транспортными средствами, подъездными путям.

 

  

 

 

 

 

 

 

3 Технологические  схемы сварки и технологии изготовления плакированных взрывом, штамповка взрывом

 

Технологические схемы сварки взрывом. Рассмотренная «угловая схема» и ее технологические варианты (рис 4) применяются для сварки плоских и цилиндрических заготовок. Необходимый начальный угол α может задаваться начальным пространственным расположением заготовок, механической обработкой или местным прогибом свариваемого участка одной из деталей. Однако при использовании этой схемы не обеспечивается постоянство условий сварки на все площади соединения [1 стр 493]. Поэтому применение его ограничено относительно не большими размерами заготовок.

 

           Рисунок 4 Разновидность угловой схемы сварки: а – плоских заготовок с ограниченной площадью соединения; б – с отгибом конца метаемой заготовки; в – с двусторонним расположением заряда; 1 – металл; 2 – неподвижная заготовка; 3 – взрывчатое вещество; 4 – демпфирующий слой; 5 – подкладка; 6 – детонатор.

В силу этого  схема с параллельным расположением  поверхностей (рис 5) получило большее  распространение. За исключением не большого по протяженности отогнутого участка отогнутого участка, условия сварки всюду одинаковы. Это позволяет применять ее для заготовок любых размеров.