Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ способов изготовления медно-алюминиевых и медно-стальных композиционных материалов и узлов электротехнического назначения. Условия формирования соединения при сварке металлов взрывом
1.1 Существующие способы изготовления композиционных медно-алюминиевых и медно-стальных ножей разъединителей силового коммутационного оборудования 11
1.2 Схемы и параметры сварки металлов взрывом 18
1.3 Временные условия формирования соединения при сварке взрывом 25
1.4 Цель и задачи исследования . 41
Глава II. Материалы и методы исследования
2.1 Характеристики используемых материалов 44
2.2 Методы определения времени формирования соединения при сварке металлов взрывом
2.3 Методы определения энергетических условий образования соединения при сварке металлов взрывом 59
2.4 Методы испытания сваренных взрывом соединений, статистическая и математическая обработка экспериментальных результатов 64
Выводы к главе II 71
Глава III. Определение временных условий формирования соединения при сварке взрывом
3.1 Время пластического течения металла за точкой контакта при сварке взрывом 73
3.2 Влияние параметров сварки взрывом на время пластического деформирования металла за точкой контакта 80
3.3 Определение критической величины деформирующего импульса давления при сварке взрывом стальных пластин 91
Выводы к главе III 98
Глава IV. Особенности формирования соединения при одновременном симметричном плакировании взрывом
4.1 Особенности пластического деформирования металла при сварке взрывом по «батарейной» схеме
4.2 Оценка энергии, затрачиваемой на пластическую деформацию металла при «батарейной» и плоскопараллельной схемах сварки взрывом 106
4.3 Исследование структуры и свойств медно-алюминиевых и медно-стальных трехслойных композитов, полученных по «батарейной» схеме плакирования 109
Выводы к главе IV 113
Глава V. Разработка технологических процессов изготовления сваркой взрывом металлических композиционных материалов
5.1 Разработка рекомендаций по изготовлению композиционных трехслойных заготовок различных типоразмеров 115
5.2 Разработка технологии изготовления трёхслойных медно-алюминиевых и медно-стальных заготовок ножей разъединителей для филиала «Камы-шинские электрические сети» ОАО «Волгоградэнерго» 119
5.3 Разработка технологии изготовления трёхслойных медно-алюминиевых переходников электролизёра каустической соды для ОАО «Каустик» (г. В олгоград) 127
Выводы к главе V 133
Общие выводы 135
Литература 138
Приложение 150
- Существующие способы изготовления композиционных медно-алюминиевых и медно-стальных ножей разъединителей силового коммутационного оборудования
- Характеристики используемых материалов
- Время пластического течения металла за точкой контакта при сварке взрывом
Введение к работе
Актуальность. Медно-алгоминиевые и медно-стальные двух- и трех слойные композиционные материалы электротехнического назначения в по следнее время находят широкое применение на предприятиях энергетического комплекса. Их использование в качестве переходных элементов и ножей разъе динителей в силовых и высоковольтных устройствах позволяет экономить де- ''', фицитные металлы, свести к минимуму потери электроэнергии, обеспечить ремонтопригодность и увеличить срок службы оборудования и токоподводя-щих силовых электротехнических узлов.
Из всей гаммы известных способов изготовления медно-алюминиевых и медно-стальных композиционных материалов, использующихся для изготов ления указанных деталей и узлов, наиболее целесообразно применение сварки взрывом, позволяющей получать равнопрочные и бездефектные соединения с минимально возможным переходным электросопротивлением. Однако, не- ' '> смотря на значительные успехи, достигнутые в области познания процесса сварки одно- и разнородных металлов взрывом благодаря исследованиям российский и зарубежных учёных Седых B.C., Дерибаса А.А., Каракозова Э.С., Кривенцова AM., Лысака ВМ., Гордополова Ю.А., Кобелева AM., Трыкова ЮМ., Пая В.В., Кудинова В.М., Кузьмина СВ., Шморгуна В.Г., Первухина Л.Б., Добруишна Л.Д., Михайлова A.M., Бондарь ММ., Захаренко ИД., Петушкова В.Г., Конона Ю.А., Яковлева И.В.„ Кузьмина Г.Е., Эпштейна Г.Н., Казак Н.Н., Сонноеа AM., Cowan G., Crossland В., Bahrani A., Wittman R.H., и др., теоретически и экспериментально выявившим основные закономерности процесса сварки металлов взрывом, изучившим количественные связи между основными параметрами и их влияние на свойства получаемых соединений, построившим энергетический баланс сварки взрывом двух- и многослойных композитов, обобщившим граничные условия сварки взрывом, ряд вопросов, касающихся процессов формирования соединения в условиях высокоскоростного соударе-
Чувичилов В.А, Кандидатская диссертация Введение ни я, остается недостаточно изученным. Так при определении основных параметров сварки взрывом, их взаимосвязей и взаимовлияния на процессы пластического деформирования металла ОШЗ незаслуженно мало внимания было уделено временным условиям формирования соединения. Кроме того, созданные математические модели, описывающие процесс соударения элементов при сварке взрывом и определяющие получение высококачественного соединения, в большинстве случаев применимы лишь для традиционных схем одностороннего плакирования. Применительно же к схеме двустороннего одновременного плакирования (батарейная схема), которая является экономически целесообразной и технологически рациональной при изготовлении трехслойных симметрично плакированных заготовок, оставались не изученными вопросы, связанные с различием энергетических условий деформирования металла ОШЗ при сварке по этой схеме и являющиеся следствием взаимного влиянии процессов, происходящих на границах свариваемой трехслойной композиции при соударении элементов. Поэтому изучение особенностей формирования соединений на границах трехслойных заготовок и разработка на основе этого научно обоснованных практических рекомендаций по рациональному применению батарейной схемы при сварке взрывом симметрично плакированных композиционных материалов электротехнического назначения и соответствующих технологических процессов является актуальной задачей.
В связи с изложенным целью данного диссертационного исследования является разработка научно-обоснованных технологических процессов изготовления сваркой взрывом медно-алюминиевых и медно-стальных электроконтактных элементов с двусторонней плакировкой для силового коммутационного оборудования предприятий энергоёмких производств на основе изучения временных и деформационно-энергетических условий образования соединения при сварке по плоскопараллельной и батарейной схемам плакирования.
Научная новизна работы состоит в определении временных условий формирования соединения между одно- и разнородными металлами при сварке
Чувичилов В.А. Кандидатская диссертация Введение взрывом по плоскопараллельной и батарейной схемам, а также установлении функциональных взаимосвязей между параметрами кинематической группы и величиной деформирующего импульса, отражающего энергетические условия протекания пластической деформации металла ОШЗ за точкой контакта и влияющего, в конечном и тоге, на структуру и прочностные свойства сварного соединения.
С использованием усовершенствованной расчетно-экспериментальной методики оценено время протекания деформационных процессов за точкой контакта, зависящее от толщины свариваемых элементов и скорости соударения. Показано, что с ростом Ус и соответствующим ему изменением пиковой величины давления ртах при прочих равных условиях время деформирования увеличивается, что приводит к возрастанию объема продеформированного в ОШЗ металла, проявляющегося, в частности, в увеличении размеров образующихся в соединении волн.
Экспериментально установлено, что интенсивность экспоненциального спада давления в зоне соединения с ртах до величины динамического предела текучести определяется физико-механическими свойствами свариваемых металлов и не зависит от скорости соударения. При этом показано, что давление в окрестностях линии соединения при сварке взрывом в стальных образцах падает вдвое быстрее, чем в алюминиевых.
В качестве интегрального показателя, связывающего воедино давление в окрестностях точки контакта, зависящее от Vc, и время его действия, предложено использовать величину деформирующего импульса 1д, характеризующего энергетические условия пластического деформирования металла ОШЗ в условиях сварки взрывом. Впервые определено его критическое значение для пары Ст.З+Ст.З, составляющее 3,5-3,7 кН-с/м .
Теоретически обосновано и экспериментально доказано, что при сварке взрывом по батарейной и плоскопараллельной схемам энергетические условия формирования соединения и деформирования металла существенно различа-
Чувичгічов В, А, Кандидатская диссертация Введение ются, что обусловлено взаимным влиянием импульсов давления, воздействующих на еще не завершившиеся на противоположных межслоиных границах деформационные процессы и способных при определенных условиях увеличивать их продолжительность и соответственно энерговложения на ней. При этом степень взаимного влияния тем выше, чем тоньше неподвижный (центральный) элемент свариваемой композиции. На защиту выносятся: результаты исследования влияния основных параметров высокоскоростного соударения на временные условия формирования соединения при сварке взрывом одноимённых композиций, полученные с использованием усовершенствованной методики; установленные закономерности влияния величины деформирующего импульса давления на процессы пластического деформирования металла ОШЗ при сварке взрывом; результаты исследования критических условий образования соединения при сварке металлов взрывом; выявленные особенности формирования соединения при одновременном симметричном плакировании взрывом; разработанные на основе проведённых исследований новые конструкции композиционных токоподводящих деталей и узлов, а также технологические процессы их изготовления.
Актуальность данной работы подтверждается выполнением ее в рамках межвузовских научно-технических программ «Интеграция науки и высшего образования России», «Новые энергосберегающие технологии», «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», «Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования».
Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературных источников и приложения, содержит 150 страниц машинописного текста, 82
Чувичилов В.А. Кандидатская диссертация Введение рисунка, 12 таблиц.
В первой главе кратко изложены сведения о свариваемости меди с алюминием и меди со сталью в твердой фазе, показано, что из всех известных способов изготовления композиционных медно-алюминиевых и медно-стальных материалов электротехнического назначения наиболее эффективным является сварка взрывом. Рассмотрены литературные данные, касающиеся представлений об образовании соединения при сварке в твёрдой фазе, основные технологические схемы и параметры сварки металлов взрывом. Проанализированы существующие методы оценки временных условий формирования соединения при сварке металлов взрывом. Сформулирована цель диссертационного исследования, определены задачи, обеспечивающие её достижение.
Во второй главе представлены основные характеристики используемых в исследовании материалов. Усовершенствованна расчётно-экспериментальная методика определения времени пластического деформирования металла ОШЗ за точкой контакта. Для исследования пластического деформирования металла ОШЗ в свариваемых взрывом по «батарейной» схеме пластинах адаптирована методика [101, 102], позволяющая достоверно оценить значение и характер распределения максимальных сдвиговых деформаций gmax. Для оценки энергетических условий формирования соединения при сварке металлов взрывом применялся метод калориметрирования. Кроме того, определены методы исследования свойств получаемых композитных соединений.
Третья глава посвящена определению времени пластического течения металла за точкой контакта (времени формирования соединения) при сварке взрывом одноимённых алюминиевых и стальных образцов. На основе анализа полученных экспериментальных данных установлено, что время формирования соединения тс не является постоянной величиной, а существенным образом зависит от скорости соударения Vc. Представлена физическая модель, поясняющая изменение параметров волнового профиля линии соединения при сварке взрывом двухслойных образцов от соотношения времени прихода волны раз-
Чувичилов В. А. Кандидатская диссертация Введение грузки Тр и тс. В качестве параметра, учитывающего давление в зоне соударения и время его действия, предложено использовать величину деформирующего импульса давления 1д, с помощью которой можно управлять условиями формирования соединения при сварке металлов взрывом. Показано, что численное значение 1д можно регулировать либо путём варьирования толщинами свариваемых пластин, либо изменением пикового давления ртах за счёт скорости Vc. Для случая сварки взрывом однородных стальных пластин определено критическое значение деформирующего импульса давления 1дкр, ниже которого равнопрочное соединение не реализуется.
В четвертой главе исследованы особенности и выявлены качественные различия пластического деформирования металла ОШЗ при сварке взрывом одноимённых алюминиевых пластин по «батарейной» и плоскопараллельной схемам соударения. Установлено, что при толщине неподвижной пластины 52 меньше 52кр, значение которой зависит от параметров соударения, численные значения максимальных сдвиговых деформаций gmx, реализующихся в случае «батарейной» схемы, превышают gIMX для плоскопараллельной схемы. Определено численное значение энергии ГГ?» затрачиваемой на пластическое деформирование металла ОШЗ при сварке взрывом по «батарейной» схеме. Исследованы структура и механические свойства трёхслойных медно-алюминиевых и медно-стальных композитов, полученных по схеме одновременного двустороннего плакирования при различных толщинах основного металла. Установлено, что получение качественных композитов, в которых основа из алюминия или стали плакируется с двух сторон медью по «батарейной» схеме, возможно, если толщина основного металла S^JOmm, Sm>8mm.
В пятой главе на основе проведенных исследований сформулированы рекомендации по выбору рациональной технологической схемы плакирования в зависимости от толщины основного металла. Разработаны конструкции узлов токоподвода электролизёра каустической соды и деталей коммутационного
Чувичилов В.А. Кандидатская диссертация Введение оборудования, а также технологические процессы изготовления высококачественных трёхслойных медно-алюминиевых и медно-стальных композитов электротехнического назначения, внедренные на ОАО «Волгоградэнерго» и ОАО «Каустик».
Диссертационную работу завершают основные выводы. Список используемой литературы включает 145 наименований. В приложении к работе приведены акты внедрения, подтверждающие практическую ценность и актуальность данного исследования.
Работа выполнена на кафедре «Оборудование и технология сварочного производства» Волгоградского государственного технического университета.
По результатам научно-исследовательской деятельности в 2001 году соискателю присуждалась аспирантская стипендия Президента Российской Федерации.
В заключение автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность своему научному руководителю, доктору технических наук, профессору В.И. Лысаку, определившему основную идею и направление работы, научному консультанту, кандидату технических наук, доценту СВ. Кузьмину, конкретизировавшему основные идеи по ходу ее выполнения, оказавшему помощь при разработке методов исследования и обработке экспериментальных данных, а также за ценные советы и замечания по материалам диссертации, кандидату технических наук, доценту АЛ. Пееву за постоянную помощь при планировании и обсуждении результатов экспериментов, старшему научному сотруднику Ю.Г. Долгому за большую помощь при разработке технологических процессов изготовления медно-алюминиевых и медно-стальных композиционных материалов.
Чувичипов В.А.
Кандидатская диссертация
Существующие способы изготовления композиционных медно-алюминиевых и медно-стальных ножей разъединителей силового коммутационного оборудования
В настоящее время развитие предприятий энергетического комплекса неразрывно связано с решением задач, связанных с уменьшением потерь электроэнергии в контактных узлах электрооборудования, экономией дорогостоящих цветных металлов, а также разработкой и внедрением высококачественных композиционных материалов электротехнического назначения [1-3].
В силовом коммутационном оборудовании широко применяются конструкции разъединителей горизонтально-поворотного типа, использующиеся в основном в открытых распределительных устройствах типа РЛНД-10, РЛНД-35, РИД и др. (рис. 1.1), в которых имеется два опорных изолятора: один поворотный, а другой неподвижный, либо оба поворотных. В первом случае к поворотному изолятору крепится нож, выполненный целиком из меди, который врубается в медный контакт, укрепленный на неподвижном изоляторе. Во втором случае на каждом изоляторе укрепляется нож, причем один из ножей врубается в контакт, укрепленный на конце другого ножа [3, 4}.
Анализ указанных конструкций разъединителей показывает, что с целью экономии дефицитной меди и обеспечения контакта между однородными металлами (Си+Си) применяют композиционные медно-алюминиевые (Си-А1), медно-стальные (Си-Ст) двух- и трехслойные ножи, изготовляемые различными способами сварки давлением. Применение указанных композитов не снижает электротехнических характеристик контактного узла, а применение Си-Ст ножей увеличивает жесткость конструкции [5-7].
Выбор того или иного способа изготовления композиционных материалов (КМ) электротехнического назначения зависит, прежде всего, от характера взаимодействия соединяемых материалов, их специфических свойств, а также характера и интенсивности деформации металлов, степени локализации деформации, особенностей развития активационных процессов в зоне соединения, обеспечивающих получение качественного соединения при сварке металлов в твердой фазе (максимальная прочность слоев на отрыв, долговечность, незначительное переходное электросопротивление в зоне соединения, низкая себестоимость).
Анализ физико-химических процессов, протекающих при соединении указанных металлов в твердой фазе, показывает, что сварка меди с алюминием вызывает определенные трудности, связанные с образованием в зоне соединения твердых растворов и интерметаллидов [12-16, 18], снижающих как прочностные, так и электрофизические свойства данного композита [11, 108, 140].
С целью получения бездефектного соединения рассматриваемой пары металлов необходимо осуществлять сварку в твердой фазе способом, при котором в зону соединения вводится минимальное количество тепла, либо ограничивается время взаимодействия контактирующих поверхностей при сварке металлов, но при этом степень пластической деформации обеспечивает реализацию равнопрочного соединения.
Сварка меди со сталью в твердой фазе может осуществляться любым способом, обеспечивающим достаточные для образования прочного (на уровне наименее прочного из металлов) соединения пластические деформации, в широком температурно-временном интервале, так как в зоне соединения не образуются интерметаллидные фазы [10, 17, 18].
Классификация и обзор способов изготовления рассматриваемых КМ представлены в работах [1, 8, 9].
Одним из самых распространенных способов соединения металлов в твердой фазе является сварка прокаткой - высокопроизводительный технологический процесс, используемый для получения биметаллов как из разнородных металлов, так и из металлов, близких по химическому составу, но отличающихся по свойствам [19].
Характеристики используемых материалов
В настоящей работе в качестве материалов исследования были использованы алюминий (АДО), медь {Ml) и сталь (ВСъ Зсп). Выбор указанных материалов обусловлен, прежде всего, их применением в качестве основных либо плакирующих элементов композиционных материалов электротехнического назначения. Кроме того, большая разница в физико-химических и механических свойствах этих материалов позволяет использовать их для решения поставленных задач исследования: проводить эксперименты по оценке времени пластического деформирования металла за точкой контакта, исследовать совместное влияние давления в зоне соударения и времени его действия на процессы формирования сварного соединения, изучить влияние схемы и параметров высокоскоростного соударения на структуру и свойства получаемых композитов как на одноимённых (алюминий+алюминий, сталь+сталь), так и на разнородных (медь+алюминий, медь+сталь) металлах с последующим сопоставлением полученных результатов.
Основные физические свойства применяемых материалов представлены в таблице 2.1.
Алюминий имеет высокую тепло- и электропроводность, весьма пластичен, хорошо сваривается, легко поддается обработке давлением (прокатке, ковке, штамповке и тд.) и резанию. Примеси и легирующие элементы в той или иной степени уменьшают электропроводность алюминия. Особенно сильно повышают электросопротивление алюминия марганец, ванадий, хром и титан, мало влияют никель, кремний, цинк, железо и медь. Алюминий химически активный металл. Однако в атмосфере на его поверхности образуется окисная пленка, которая защищает его от дальнейшего взаимодействия с окружающей
Чистая медь обладает небольшой прочностью и высокой пластичностью, хорошо сваривается. Механические свойства меди в значительной степени зависят от чистоты металла и степени предшествующей пластической деформации. Примеси, содержащиеся в меди, снижают ее электропроводность. Наиболее сильно повышают электрическое сопротивление меди фосфор, кремний, железо, сурьма и кобальт.
В результате пластической деформации медь нагартовывается. При деформации более 40-50 % предел прочности меди достигает 392-441 МПа при одновременном падении относительного удлинения до 2-4 %. График изменения механических свойств в зависимости от степени пластической деформации меди и алюминия показан на рис. 2.1. Пластическая деформация повышает электрическое сопротивление на 3-5 % [82-86]. Химический состав и механи ческие свойства меди Ml представлены в таблицах 2.4, 2.5.
В качестве взрывчатого вещества (ВВ) для сварки металлов взрывом наиболее часто применяют аммонит №6ЖВ - простейшее по составу порошкообразное, водоустойчивое, смесевое В В средней мощности (таблица 2,8).
Важнейшей характеристикой промышленных ВВ является скорость детонации D, поскольку она закладывается в качестве основного параметра в расчет режимов процесса сварки взрывом (п. 1.2). Скорость детонации для ка- ждого ВВ (D) в определенных условиях взрывания - величина постоянная, но может изменяться в широких пределах в зависимости от совокупного влияния различных факторов; дисперсности, плотности и диаметра заряда [14, 35, 42].
Время пластического течения металла за точкой контакта при сварке взрывом
Процесс образования соединения при сварке металлов взрывом характеризуется совокупностью основных параметров высокоскоростного соударения, к которым, в первую очередь, относятся скорость соударения Vc, скорость точки контакта VK, давление в области соударения/?, время его действия г, определяющими, в конечном счете, энергетику процесса и конечные свойства получаемых соединений [8, 27, 34, 37]. Для реализации совместной пластической деформации контактирующих слоев как одного из основных условий образования сварного соединения [8, 27] требуется, чтобы давление р, зависящее от Vc и акустических свойств материалов [69], превышало динамический предел текучести а-дт [35, 120, 121], а время его действия г, в течение которого длительность активации всей контактной поверхности обеспечивала релаксацию напряжений, превышало время прихода в зону соединения растягивающих напряжений тр [8, 27].
Специфические особенности сварки металлов взрывом вызывают трудности расчетного и экспериментального определения реальных величин р и т} что, в конечном итоге, не позволяет в полной мере использовать данные параметры для количественного описания исследуемого процесса. Следует также отметить, что до настоящего времени остается открытым вопрос о критических временных условиях сварки, при которых реализуется равнопрочное соединение.
В настоящей диссертационной работе для определения времени пластического течения металла за точкой контакта (времени формирования соединения) в соответствии с усовершенствованной расчетно-экспериментальной методикой (п. 2.2) были проведены серии опытов по сварке взрывом двух- и трехслойных пакетов из одноимённых алюминиевых и стальных пластин, в каждом из которых сварка проводилась одновременно по двум схемам: плоскопараллельной (рис. 1.4, а) и «батарейной» (рис. 1.4, б) при условии, что параметры соударения (у, VCt VK) в рассматриваемых схемах строго одинаковы.
В качестве метаемых модельных пластин размерами в плане 230x130 мм использовались алюминий АДО толщиной 4 мм и сталь ВСт.З толщиной 3 мм. Неподвижные пластины выполнялись размером 150x70 мм, а толщина их варьировалась: от 4 до 20 мм и от 3 до 18 мм соответственно. Режимы сварки взрывом рассчитывались по зависимостям (1.5-1.8, п. 1.2). Сварка взрывом пластин из алюминия проводилась при скорости соударения Vc=540 м/с, скорости точки контакта Vk=2700 м/с, стальных - при Vc=440 м/с, Уь=2800 м/с.
Сваренные опытные образцы подвергались металлографическим исследованиям с измерением длины и амплитуды образующихся волн, по результатам которых строились графические зависимости параметров волнового профиля от толщины неподвижной пластины 82 (рис. 3.1).
Наблюдаемый рост длины (Л) и амплитуды (2а) волн в зонах соединения при сварке взрывом алюминиевых (рис. 3.1, а, рис. 3.2) и стальных (рис. 3.1,6, рис, 3.3) пластин, полученных по плоскопараллельной схеме, при увеличении толщины неподвижной пластины (рис. 1.4, а) носит закономерный характер и может быть объяснен соответствующим увеличением энергии, затрачиваемой на пластическую деформацию металлов W 2 [39].
