Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Литературный обзор 10
1.1 Производство биметалла1 сваркой взрывом и области применения 10
1.2 Дефекты при сварке взрывом сталей 17
1.3 Методы борьбы с выявленными дефектами 22
1.4 Анализ дефектов при промышленном производстве биметалла сваркой взрывом в ООО «Битруб Интернэшнл» 31
1.5 Процессы очистки и активации свариваемых поверхностей 32
1.6 Тепловые процессы 39
1.7 Задачи исследования 47
Глава II. Методика исследования 48
2.1 Материалы 48
2.2 Методика проведения экспериментов по исследованию процессов в сварочном зазоре впереди точки контакта 51
2.3 Аналитические методы исследования 54
2.3.1 Металлографические исследования микроструктуры образцов 54
2.3.2 Метод растровой электронной микроскопии 55
2.3.3 Метод рентгеноструктурного анализа 55
2.3.4 Измерение твёрдости и микротвердости 56
2.3.5 Испытание прочности соединения 57
2.3.6 Ультразвуковой контроль 57
Глава III. Исследование процессов в сварочном зазоре перед точкой контакта 59
3.1 Экспериментальное исследование процессов идущих в сварочном зазоре методом «ловушек» 59
3.2 Расчёт параметров ударно-сжатого газа в сварочном зазоре 65
3.2.1 Принципиальные схемы расчётов параметров ударно-сжатого газа в «поршне» 68
3.2.2 Истечение газа из сварочного зазора 70
3.2.3 Определение геометрических характеристик области ударно-сжатого газа 72
3.2.4 Динамика роста и определение температуры области ударно-сжатого газа 74
Выводы по главе III 84
Глава IV. Исследование причин появления дефектов и разработка мер по их устранению 86
4.1 Дефекты в начале процесса сварки взрывом и разработка генератора ударно-сжатой плазмы 86
4.2 Исследование особенностей образования прочного бездефектного соединения при сварке взрывом модифицированных инструментальных и высокопрочных сталей 88
Выводы по главе IV 99
Глава V. Освоение промышленной технологии производства биметалла сваркой взрывом 100
5.1 Исследование причин образование участков несплошностей, свищей, вырывов. 100
5.2 Усовершенствование и внедрение технологии производства крупногабаритного биметалла сваркой взрывом 104
5.3 Разработка опытной технологии производства биметалла сваркой взрывом на основе высокопрочных и инструментальных сталей с выпуском опытных партий 114
Выводы по главе V 118
Заключение и общие выводы 120
Список использованных источников 123
Приложение
- Процессы очистки и активации свариваемых поверхностей
- Методика проведения экспериментов по исследованию процессов в сварочном зазоре впереди точки контакта
- Определение геометрических характеристик области ударно-сжатого газа
- Исследование особенностей образования прочного бездефектного соединения при сварке взрывом модифицированных инструментальных и высокопрочных сталей
Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время особое значение приобретают высокотехнологичные импортозамещающие технологии получения новых материалов, в частности биметаллов, для ведущих отраслей машиностроения: нефтехимического, атомного, энергетического и др. Накопленный опыт производства крупногабаритного листового биметалла сваркой взрывом убедительно показат перспективность и эффективность этого процесса, позволяющего создавать материалы с принципиально новыми свойствами, экономить нержавеющие стати, цветные металлы и сплавы, получать биметалла требуемого качества.
Вместе с тем отечественный и зарубежный опыт показал, что даже при отлаженном промышленном производстве биметалла образуются следующие дефекты:
-непривары в начате процесса и участки пониженной прочности в этой зоне;
-непривары с волнистостью, свищами и вырывами плакирующего слоя в зонах, прилегающих к окончанию сварки;
- количество листов с дефектами достигает 25 % от общего числа выпускаемого биметалла.
Листы биметалла с дефектами подвергают ремонту путём удаления дефектных мест и последующей электродуговой наплавке, что ухудшает качество биметалла, повышает его стоимость. За рубежом, например в «DMC», в технологию введено удаление по периметру листа полосы шириной 30-80 мм для исключения участков пониженной прочности в готовом биметалле, что приводит к потере 8-10% биметалла.
Другой важной народно-хозяйственной задачей является получение с использованием сварки взрывом многослойной брони, которая состоит из инструментатьной и высокопрочной стали. При сварке взрывом этих статей образуются трещины и разрушения плакирующего слоя и другие дефекты.
Согласно принятой на момент начало работ теории образования соединения при сварке взрывом указанные выше дефекты рассматривались, как сопутствующие процессу сварки взрывом. В опубликованных исследованиях основное внимание уделяется вопросам волнообразования, деформации в зоне соединения, структуре соединения, процессам диффузии, образованию вихревых зон и т.п. В тоже время мало уделяется внимания процессам, идущим впереди точки контакта в сварочном зазоре. По нашему мнению экспериментальное и теоретическое исследование этих процессов в данной работе позволит усовершенствовать технологию производства биметалла сваркой взрывом, разработать опытную технологии получения биметалла из высокопрочных сталей для брони, что и определяет её актуальность.
Работа выполнялась в соответствии с тематическими планами НИОКР института, в рамках программ и проектов отделения химии и наук о материалах РАН, а также хозяйственных договоров:
-
ТемаНИОКР «Оптимизация процессов обработки материалов взрывом на основе исследований эволюции их структуры» на 2003-2005 г.;
-
Программа отделения химии и наук о материалах РАН ОХ-3 «Использование ударных волн для получения новых материалов, сочетающих высокие физико-механические и функциональные свойства» на 2006-2008 г;
-
Программа отделения химии и наук о материатах РАН ОХ-8 «Разработка научных основ новых химических технологий с получением опытных партий веществ и материалов» на 2006-2007г;
-
Программа хоздоговорной темы №656/05 «Разработка технологии производства сваркой взрывом двухслойных заготовок» 2005 г;
Цель работы: На основе исследования процессов, происходящих в сварочном зазоре впереди точки контакта, усовершенствовать технологию производства биметалла сваркой взрывом и разработать опытную технологию получения биметалла из высокопрочных сталей для брони.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести анализ результатов промышленного производства крупногабаритных листов биметалла сталь-сталь и выявить наиболее часто встречающиеся дефекты;
теоретически и экспериментально исследовать процессы, происходящие в сварочном зазоре впереди точки контакта и изучить их влияние на образование соединения;
расчётно-экспериментальньш методом исследовать особенности сварки взрывом высокопрочных статей и разработать опытную технологию получения биметачла для брони;
» на основе проведённых исследований усовершенствовать промышленную технологию производства биметалла сваркой взрывом и внедрить её.
Научная новизна
І.Впервьіе экспериментатьно методом "ловушек" на крупногабаритных образцах и листах промышленных размеров установлено, что при сварке взрывом на режимах (D = 2000-2500 м/с), применяемых при промышленном производстве биметалла сталь-сталь, титан-стать, кумулятивный процесс практически отсутствует. Следовательно, очистка свариваемых поверхностей от окислов и загрязнений и их активация в процессе сварки взрьшом не определяется процессами кумуляции.
2.Предложено совместное решение задачи о вдвигаемом «поршне» и задачи о скорости истечения газа из сварочного зазора, что позволило определить размеры области ударно-сжатого газа впереди точки контакта в зависимости от размеров свариваемых листов и параметры газа в этой области: давление pi, температуру Ті и плотность pi.
З.Проведены оценки температуры в ударно-сжатом газе с учетом сверхскоростного обтекания им свариваемой поверхности, что позволило выдвинуть гипотезу: в сварочном зазоре впереди точки контакта при сверхзвуковом (5-6 махов) обтекании ударно-сжатым газом свариваемых
поверхностей на их границе раздела происходит термическая ионизация газа с образованием тонких слоев низкотемпературной («холодной») плазмы.
4.Предложена следующая последовательность трёхстадийного процесса образования прочных связей между атомами соединяемых металлов при сварке взрывом:
очистка и активация контактных поверхностей ударно-сжатым газом и тонкими плазменными потоками;
образование физического контакта и соединения в точке соударения;
объёмное взаимодействие с формированием соединения и пластической деформацией за точкой контакта.
Практическая ценность работы
На основании проведённых исследований разработан генератор ударно-сжатой плазмы и метод сварки взрывом на его основе, практическое применение которых позволило:
-
Разработать технологию сварки взрывом высокопрочных и инструментальных сталей, исключающую образование дефектов, и изготовить опытные партии биметалла для брони из сталей У8+40ХНМС и 9ХС+38ХЗМФА. Испытания бронеэлементов, изготовленных из биметалла опытных партий, показати, что бронестойкость, в зависимости от средства испытаний, возрастает 1,24-1,43 раза по сравнению с монометаллической бронёй.
-
Разработать усовершенствованную промышленную технологию производства крупногабаритного листового биметалла сваркой взрывом, предусматривающую проведение всех операций по сборке пакета в цехе, обеспечивающую 100% сплошность соединения слоев, отсутствие участков пониженной прочности.
-
Усовершенствованная промышленная технология производства крупногабаритного листового биметатла сваркой взрывом внедрена в ООО "Битруб Интернэшнл" и ООО НПО "Взрывные технологии в машиностроении". В 2008 году произведено свыше 4000 м биметалла с основой толщиной от 10 до 70 мм из стати марок 12ХМ, 09Г2С и плакирующим слоем толщиной от 2 до 8 мм из статей Тр 321, 316ТІ, 410S ASTM А240 (аналоги соответственно 08Х18Н1ОТ, 10Х17Н13М2Т, 08X13) площадью от б до 9,5 м2. Качество биметалла соответствует ГОСТ 10885-85 и ТУ 27.32.09.010-2005 "Стать листовая двухслойная коррозионно-стойкая, изготовленная методом сварки взрывом".
На защиту выносятся:
-
Результаты экспериментальных исследований процессов происходящих в сварочном зазоре впереди точки контакта методом "ловушек" на крупногабаритных образцах и листах промышленных размеров.
-
Результаты совместного решения задачи о вдвигаемом «поршне» и о скорости истечения газа из сварочного зазора, что позволило определить размеры области ударно-сжатого
газа впереди точки контакта в зависимости от размеров свариваемых листов и параметры газа в этой области: давление pi, температуру Tj и гстотность pi.
-
Выдвинутая гипотеза: в сварочном зазоре впереди точки контакта при сверхзвуковом (5-6 махов) обтекании ударно-сжатым газом свариваемых поверхностей на их границе раздела происходит термическая ионизация газа с образованием тонких слоев низкотемпературной («холодной») плазмы.
-
Предложенные механизм очистки и активации свариваемых поверхностей, и последовательность процесса сварки взрывом при трёхстадийном процессе образования прочных связей между атомами соединяемых металлов.
-
Усовершенствованная промышленная технология производства крупногабаритного листового биметалла сваркой взрывом и опытная технология изготовления высокопрочных и инструментальных сталей для брони.
Личный вклад
проведение анализа дефектов, выявленных при промышленном производстве биметалла сваркой взрывом.
участие в разработке схемы расчёта параметров ударно-сжатого газа впереди точки контакта, обосновании гипотезы;
проведение экспериментальных работ;
участие в разработке и внедрении усовершенствованной технологии производства крупногабаритного листового биметалла сваркой взрывом;
разработке и освоении опытной технологии производства биметалла для брони. Апробация работы
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: VIII EPNM Shock-Assisted Synthesis and Modification of Materials 2006 Moskow; IX EPNM Shock-Assisted Synthesis and Modification of Materials 2008 Lisse; Молодежной международной школе конференции по инновационному развитию науки и техники (Черноголовка 2005); III, IV, V и VI-ой Всероссийских школах по структурной макрокинетике для молодых ученых (Черноголовка 2005, 2006, 2007); VII-ой Международной научно-технической Уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, 2006); XVI Петербургские чтения по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2006); 9-й Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности» (Санкт-Петербург, 2006); X Международной научно-технической конференции «Композиты в народное хозяйство» (Барнаул, 2006); II международной конференции Деформация и разрушение материалов и наноматериалов (г. Москва, 2007); Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ)- 2007 (Волгоград, 2007); IV ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов, Российская конференция, Института металлургии и материаловедения
им. А.А. Байкова РАН (Москва, 2007); VIII-ой Международной научно-технической Уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, 2007); XLVII Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (г. Нижний Новгород, 2008).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 22 научные работы, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах и 20 тезисов докладов на конференциях.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Работа изложена на 131 странице текста, включает 52 рисунка и 11 таблиц. Список литературы содержит 109 наименований.
Процессы очистки и активации свариваемых поверхностей
Многочисленными исследованиями большой группы ученых и специалистов из различных мировых научных центров и, в первую очередь, российских, было доказано, что процесс сварки взрывом не является каким-то особым, отдельно стоящим видом сварки, а относится к твердофазным [15, 17, 18, 19, 31, 46] без диффузионным способам сварки давлением. Различия заключаются лишь в величинах давлений и скоростей протекания деформационных процессов в зоне контакта металлов, а, следовательно, и в механизмах их реализации.
В настоящее время накоплен большой экспериментальные и теоретический материал по вопросу о формировании соединения при сварке взрывом. Выдвинут ряд гипотез, объясняющих образование соединения с различных точек зрения. Наиболее полный обзор приведён в работе [46].
В работах [47, 48; 49, 50, 51, 52] образование соединения при сварке металлических поверхностей взрывом рассматривается с позиции протекания топохимических реакций, развитие которых происходит в три стации: образование физического контакта, активация контактных поверхностей, объёмное взаимодействие.
В работе [24] утверждается, что для сварки взрывом характерна двухстадийность процесса образования соединения: образование физического контакта и активация контактных поверхностей за счёт пластической деформации, а время третьей стадии равно нулю
По принятой на сегодняшний день теории очистки свариваемых поверхностей считается, что в условиях косых соударений самоочищение происходит, в первую очередь, в результате образования кумулятивной струи [31, 53, 54, 55] (рис. 1.5.1).
Согласно работ [47, 48, 49, 50, 56, 57, 58], пластическая деформация в зоне соударения металлических пластин является одним из обязательных условий сварки взрывом и играет решающую роль в образовании физического контакта и схватывания металлов.
По словам авторов [58, 59] активация свариваемых поверхностей происходит за счёт энергии сдвига на границе раздела и величина максимальных сдвигов должна превышать некую критическую gmaxKp, чтобы затрачиваемая на деформацию энергия обеспечивала необходимую степень активации контактирующих поверхностей-и должна быть меньше некоторой предельной gmaxT при которой нарастание энерговложений вызовет чрезмерный рост количества оплавленного металла, появление усадочных раковин, пустот, рыхлот, хрупких фаз и др.- дефектов. Так для случая сварки стальных пластин в. качестве gmaxKp и gmaxnp авторами указываются значения соответственно -35% и -60%.
В работе [60] провели серии экспериментов для проверки возможности образования сварного соединения за счёт деформации микронеровностей. Результаты экспериментов показали, что механизмом очистки и активации свариваемых поверхностей является процесс струеобразования.
Для экспериментального уточнения механизма очистки поверхностей в процессе сварки взрывом была измерена потеря массы образцов в результате сварки с оценкой количества литых включений в соединении [61].
В этих экспериментах определяли потерю массы весовым методом и изучали структуру соединения с определением средней толщины включений литого металла, которую оценивали как отношение площади включения, измеренной в плоскости шлифа к длине соединения. Было изучено влияние основных технологических параметров: скорости детонации (D), отношение массы взрывчатого вещества, (ВВ) к массе пластины — безразмерный параметр г, дистанционное расстояние между свариваемыми пластинами (h) на потерю массы в образцах 200x300 мм. Скорость детонации изменяли в пределах 1800-4000 м/с, параметр г в пределах 0,5-2,0 и h в интервале 2-20 мм (рис. 1.5.2);. Сумма Ai + А2 соответствует общей толщине слоя: металла удаляемого с соединяемых поверхностей в процессе сварки,-которая в известной степени характеризует условия очистки этих поверхностей.
Следует отметить, что исходя из представленных данных большая- часть удаляемого с поверхности металла, остаётся в соединении в виде литых включений [62]. Таким образом, практическое значение имеет величина Д2, определяющая структуру соединения. С увеличением Д2 возможно появление в соединении пор и других усадочных дефектов, А2 особенно резко-возрастает с увеличением" D: Так, при росте скорости детонации от 2000 до 4000 м/с А2 увеличивается в 25 раз:
В!, условиях обычно применяемых режимов сварки (D 3000 м/с), действием кумулятивной струи можно пренебречь. Ее появление при переходе к более интенсивным режимам дает не положительный, а скорее отрицательный эффект, вследствие ухудшения структуры соединения (большой величины А2) [9]. В то же время полное отсутствие включений, предельным случаем которого является процесс, не сопровождающийся потерей массы (Ai 0), приводит к неудовлетворительной очистке соединяемых поверхностей и резкому ухудшению качества сварки, чему одновременно способствует и малая энергия соударения, характерная для такого процесса [64].
Так же струеобразование при косых соударениях было исследовано в работе [46]. На медные образцы толщиной до 3,5 мм наносились слои никеля и меди толщиной 0,1 и 0,07 мм соответственно. Использование медных и никелевых слоев обеспечило возможность измерения их толщины с помощью оптического микроскопа, в то же время одинаковая плотность этих материалов исключала влияние разницы в плотностях на течение материала.
Методика проведения экспериментов по исследованию процессов в сварочном зазоре впереди точки контакта
Для1 детального исследования отбирали образцы по всей длине пластин «ловушек» из средней части по ширине, а также из начальных и конечных участков образцов и листов. При исследовании структуры использовались стандартные методики, такие как оптическая металлография, электронная микроскопия;. рентгенофазовый анализ, при этом травление шлифов производилось раздельно для каждого слоя.
В результате серии экспериментов были получены следующие биметаллические композиты: 09F2C + Тр321; 12ХМЧ- Тр321; 09Г2С + ВТ1-0; 12ХМ + Tp410S; 09Г2Є + Tp410S;
Методика исследования включала в себя оптическую металлографию, электронную микроскопию, рентгенофазовый анализ, измерение твёрдости и микротвердости [87], испытание прочности соединения (отрыв, изгиб, сдвиг) [88], ультразвуковой контроль. В процессе оптической металлографии определялась макроструктура соединения на травленных и не травленых образцах при увеличении до хб. Исследование структуры проводили при увеличении от хЮО и выше.
При исследовании структуры использовались стандартные методики, при этом травление шлифов производилось раздельно для каждого слоя. Для коррозионно-стойких сталей использовалось электролитическое травление.
Металлография это классический метод исследования и контроля металлических материалов, изучение строения структуры шлифа в оптическом микроскопе. Подготовку образцов производили на установке для приготовления металлографических шлифов ШЛИФ - 1M/V. Эта установка удобна тем, что имеет переменную рабочую скорость вращения диска и предусмотрена подача воды на рабочую поверхность диска с плавной регулировкой. Шлифование проводилось на шлифовальных шкурках с уменьшающейся зернистостью. При переходе на более мелкозернистую шкурку шлиф поворачивали на 900 и шлифовали до тех пор, пока полностью не исчезали все следы царапин от предыдущей операции. Работа проводилась на дисках, вращающихся со скоростью 300 - 400об/мин. Полировка шлифов начиналась на не ворсистой ткани, а заканчивалась кратковременной доводкой на ворсистой ткани. Для полировки использовались алмазные порошки зернистостью от 3,1 до 0,5 мкм. Окончательное полирование проводилось на пасте ГОИ полировочной. Во время полирования шлиф перемещают от периферии к центру круга, чтобы обеспечить равномерное распределение пасты, и диск должен быть влажным. На последних этапах обработки применялось травление шлифов. Травление образца ведет к выборочному удалению поверхностного материала и выявлению его микроструктуры. Травление создает топографически развитую поверхность за счет растворения границ зерен или различной скорости травления соседних зерен.
Микроструктура исходных и конечных образцов изучалась с помощью микроанализатора LEO 14XX(VP).
Микроструктуру образцов наблюдали, используя- режим «сотро». Особенность режима состоит в том, что обратно рассеянные электроны регистрируются двумя полупроводниковыми детекторами, расположенными непосредственно над образцом. В режиме «сотро» происходит суммирование сигналов двух детекторов, что позволяет свести к минимуму влияние рельефа на растровое изображение, в результате чего суммарный сигнал зависит, главным образом от изменения атомного номера, то есть от состава исследуемой области. В режиме "topo" сигналы двух детекторов вычитаются, и все особенности рельефа четко проявляются.
Метод основан на том, что рентгенограмма каждой фазы характеризуется своим набором dhki и Іькь рентгенограмма многофазного образца представляет собой наложение рентгенограмм отдельных фаз. На основе полученных дифракционных данных можно определить фазовый состав. Рентгеноструктурный анализ фазового и химического состава проводился дифрактометре ДРОН-3 М. Монохроматический рентгеновский луч, соответствующий медному излучению с длиной волны X = 1,54178 нм направлялся на образец. Отраженные дифракционные лучи попадали в рентгеновский детектор, соединенный с самописцем. Регистрация углов дифракции производилась в интервале от 20 до 80.
Твёрдостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твёрдого тела. Для определения твёрдости в поверхность материала с определённой силой вдавливается тело (индентор), выполненное в виде стального шарика, алмазного конуса. По размерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твёрдости материала. В зависимости от способа измерения твёрдости материала, количественно её характеризуют числом твёрдости по Бринелю (НВ) (ГОСТ 9012-59), Роквеллу (HRC) (ГОСТ 9013-59).
Микротвердость, измерялись при помощи микротвердомера ПМТ-3, который представляет собой прибор, предназначенный для измерения твёрдости металлов, сплавов, стекла и т.д.
Метод измерения микротвердости регламентирован ГОСТ 9450-76. При данном методе твердость измеряют путем вдавливания в образец алмазного индентора под действием статической нагрузки Р в течении времени выдержки т. Число твердости определяют давлением приложенной нагрузки в Н или кгс на условную площадь боковой поверхности полученного отпечатка в (мм ). Основным вариантом испытания является метод восстановленного отпечатка, когда размеры отпечатков, определяются после снятия нагрузки.
Определение геометрических характеристик области ударно-сжатого газа
Пограничный слой очень тонок,, его толщина измеряется миллиметрами, причём она постепенно утолщается по длине. По характеру течения воздуха пограничные слои делятся на. два типа: ламинарный и турбулентный [95].
В ламинарном пограничном слое отдельные струйки воздуха движутся всё время параллельно поверхности тела,, не приближаясь и не удаляясь от неё: В турбулентном пограничном слое вместо такого упорядоченного движения наблюдается непрерывное перемешивание струек, приближение их к поверхности тела и удаления от неё. В связи с этим распределение скоростей- по толщине пограничного слоя оказывается иным, чем при ламинарном течении; «быстрые» струйки попадающие при перемешивании из внешнее части пограничного слоя к поверхности тела, повышают здесь, скорость.течения. Поэтому, градиент скорости, у поверхности тела в турбулентном пограничном слое, больше, чем в ламинарном [95]. Турбулентности пограничного слоя способствует шероховатость и различные неровности, а так же пульсация, (турбулентность) потока, набегающего на тело. В результате установлено, что даже при турбулентности пограничного слоя в непосредственной близости от поверхности тела всегда имеется ламинарный подслой, толщина которого выражается десятыми или даже сотыми долями миллиметра. Таким образом, какого бы типа пограничный слой ни был, движение воздуха у самой поверхности всегда ламинарное. Однако в ламинарном подслое турбулентного слоя градиент скорости значительно больше, чем в нижней части целиком ламинарного пограничного слоя, так как ламинарный подслой сверху соприкасается с турбулентным потоком, имеющим даже вблизи тела значительную скорость [95].
Вследствие этого сила трения, пропорциональная градиенту скорости и имеющая поэтому наибольшее значение у самой поверхности тела, при турбулентном пограничном слое в несколько раз больше чем при ламинарном.
При торможении движущегося воздуха о поверхность самолёта его температура возрастает [96, 97, 98, 99]. В сущности нагрев воздуха при торможении есть проявление закона сохранения энергии: кинетическая энергия беспорядочного движения молекул растёт за счёт уменьшения кинетической энергии упорядоченного движения воздуха. Данная формула справедлива при отсутствии теплообмена. В действительности же между заторможенными частицами воздуха и остальным потоком есть теплообмен [95]. Наиболее существенно является то, что часть энергии воздуха расходуется в процессах диссоциации, в которых молекулы разлагаются на составляющие их атомы, и ионизации, в которых электроны отрываются от атомных ядер. Поэтому фактический прирост температуры в пофаничном слое у- самой поверхности тела на 10-15% меньше, чем получающийся по данной формуле [95].
Расчёты по данной формуле показывают, что на режимах сварки взрывом применяемых при промышленном производстве биметалла (D = 2500 м/с) температуры газа в пофаничном слое будет составлять 6000С (без учёта теплопроводности), то есть достигает температуры перехода газа в плазменное состояние («холодная» плазма) [100]. Проведенные оценки температуры в ударно-сжатом газе с учётом сверхскоростного обтекания им свариваемой поверхности позволяют выдвинуть гипотезу: в сварочном зазоре впереди точки контакта при сверхзвуковом (5-6 махов) обтекании ударно-сжатым газом свариваемых поверхностей на границе раздела происходит термическая ионизация газа с образованием тонких слоев «холодной» плазмы.
Подтверждением выдвинутой гипотезы служат результаты, полученные различными исследователями:В работе [69] производилось измерение яркостной температуры, с помощью свето-фоторегистратора СФР-2М, который показал, что тепловой поток из газа в металл составляет 10 - 10 эрг/(см -с) (10 - 10 Дж/(м -с)). Эксперименты-были проведены на различных режимах сварки. На основании- полученных экспериментальных данных был произведён расчёт температуры относительно яркости свечения и получено следующее: температура на режиме D=3500 м/с равна 5000 К; на режиме D=4200 м/с - 6500 К; на режиме D=4500 м/с - 8300 К. . В работе [79] проводилось измерение яркостной температуры вблизи точки контакта фотоэлектрическим методом. Причём, наряду с измерениями интенсивности излучения ударно-сжатого газа производились измерения интенсивности излучения с поверхности соударяющейся пластины. На основе полученных экспериментальных данных было получено следующее: температура на режиме D=4200M/C равна 7700 К; на режиме D=5300 м/с - 10500 К. Из расчёта по формуле Планка [81] температура воздуха в интервале 60-100 м от начала соударения пластин равна -8000К, 3. В работе [75] были определены зависимости уровня теплового потока и глубины проплавлення свариваемых поверхностей от детонационных характеристик заряда ВВ и во взаимосвязи с технологическими параметрами: величина зазора, шероховатость зазора R» время действия давления. На основании данных по измерению теплового потока было сказано, что «процесс теплопередачи будет осуществляться наиболее эффективно, если в зазоре реализован турбулентный режим течения, а уровень теплового потока, поступающего из плазмы в металл, будет лежать в пределах 1,3-109 до 4Д-1010 Дж/(м2-с). Полученные результаты авторы излагают следующим образом: «Воздушная ударная волна формирует в зазоре высокотемпературную плазму. Поток тепла от плазмы разогревает поверхностный слой пластин до температуры плавления, обеспечивая при последующем контакте сварку пластин между собой» (рис.3.2.5). Данные результаты по измерению теплового потока и температуры аналогичны результатам, полученным в работе [69]. Выдвинутая гипотеза позволяет рассмотреть вопросы очистки и активации свариваемых поверхностей впереди точки контакта по аналогии с процессами, которые идут при плазменно-дуговой очистке металлопроката. Под воздействием плазменного потока все известные оксиды металлов и другие химические соединения диссоциируют, ионизируются и испаряются (сублимируют) с поверхности (рис.3.2:6) [101]. Если парциальное давление кислорода ниже упругости диссоциации оксидов металла, находящихся на поверхности очищаемого изделия, то оксиды на очищаемой поверхности диссоциируют и больше не образуются [102]. Положительные ионы металлов, образовавшиеся в результате диссоциации оксидов и их ионизации, возвращаются на очищенную поверхность, а атомы кислорода образуют простейшие газообразные соединения 02, СОт и Н20, которые выносятся из сварочного зазора, следует подчеркнуть, что не окалина и ржавчина, являются отходами очистки, а отходами являются именно газифицированные углекислый газ и молекулы воды. Имплантированные обратно на очищенную поверхность из оксидов атомы металлов образуют тонкие, в несколько атомных слоев, пленки [102, 103].
Исследование особенностей образования прочного бездефектного соединения при сварке взрывом модифицированных инструментальных и высокопрочных сталей
Основным преимуществом работы на открытых полигонах, при достаточном их удалении от жилых и промышленных объектов, является возможность получения сваркой взрывом заготовок неограниченных габаритных размеров и массы.
Для обеспечения круглогодичного производства биметалла в условиях средней полосы России технология предусматривает проведение всех операций по сборке пакета в цехе и проведение на взрывной площадке только операций по установке пакета на песчаную опору, монтаж опалубки и заряда [107], хотя и предъявляет ряд специфических требований к конструкции, пакета, связанных с его транспортировкой: необходимость герметизации сварочного зазора и сохранения расстояния между дистанционными опорами в целях предотвращения их перемещения при транспортировке.
В связи с большими габаритами листов их крепление по периметру недостаточно, из-за нарушения величины зазоров в центре. Поэтому следует установить дистанционные опоры по всей площади листов. Как показали исследования [108], V - образные металлические опоры (патент 1402276 (ВЕЛИКОБРИТАНИЯ) В23РЗ/09; патент 3900147 (США) В23В15/00; 2210918 (ФРАНЦИЯ) В23РЗ/00; А.с. 317267, СССР, МКИ3 В23к 21/00) толщиной 0,15-0,5 мм позволяют получать качественное соединение практически на неограниченных площадях. Авторами [109] (рис.5.1.1) в целях жёсткого закрепления плакирующего слоя по периметру заготовки плакируемого листа предложено устанавливать линейные опоры 4 в области нависаний плакирующего листа с помощью технологических пластин 3, приваренных по периметру плакирующего слоя заподлицо с плакируемой поверхностью.
Но при транспортировке листа на место проведения взрывных работ происходит вертикальное колебание свариваемых листов, тем самым происходит смещение промежуточных опор и нарушается расстояния между ними. При раскладке заряда в местах отсутствия опор происходит прогиб плакирующего листа вследствие чего, нарушается зазор между свариваемыми листами. В процессе сварки взрывом происходит захлопывание воздуха, находящегося в сварочном зазоре под большим давлением и высокой температурой в ограниченном объёме, и образуется сквозное отверстие (свищ) с отогнутыми наружу и утонёнными кромками со следами оплавления (рис.5.1.2).
В основном данный вид дефекта появляется на тонких листах (до 4 мм) с малой весовой разницей между плакирующим и основным листами (менее 1:5).
При инициировании взрывчатого вещества из-за разницы в зазоре между листами нарушается равномерность полёта пластины, там, где расстояние меньше время до соударения с основным листом в данной точке будет меньше. Цель разработки является обеспечить заданные параметры процесса сварки взрывом на всей поверхности за счёт обеспечения заданного зазора на всей поверхности.
Поставленная цель достигается благодаря тому, что V-образные металлические опоры привариваются контактной сваркой к поверхности основного листа за специальные усы.
В связи с этим предложена схема сборки пакета. На плакируемый лист 1 устанавливаются дистанционные V - образные металлические опоры. 2 с промежуточным шагом 250 мм и при помощи контактной сварки приваривают к поверхности основного листа за специальные усы 8. Затем устанавливается плакирующий лист 7, стягивается стяжным болтом 5 с основным листом и раскладывается заряд взрывчатого вещества 6 (рис.5.1.1).
Ультразвуковой контроль и металлографическими исследованиями темплетов, отобранных из различных участков полученного двухслойного листа, неприваров и других дефектов не выявлено. Применение такой схемы сварки позволило получить соединение разнотолщинных листов практически со 100% -ой сплошностью.
К моменту начала работ на предприятиях ООО «Битруб Интернэшнл» и ООО НПО "Взрывные технологии в машиностроении" существовала схема подготовки к сварке взрывом изображённая на рисунке 5.2.1. Первоначально листы поставлялись в цех, где производился входной контроль, качества исходного металла. После чего свариваемые поверхности листов из углеродистых сталей прошедших контроль качества подвергались сплошной абразивной зачистке для удаления окалины (если она присутствовала) и ржавчины (рис.5.2.2 а). Параллельно велась подготовка плакирующего листа, а именно, проводился- входной контроль качества металла и при необходимости, производилось удаление со свариваемых поверхностей трудноудапяемые загрязнения шлифовальной бумагой. Шероховатость Ra по ГОСТ 2789-73 стальной поверхности не более 2,5 - 40 мкм, в зависимости от назначения биметалла. Зачистку высоколегированных коррозионно-стойких сталей производили металлической щёткой или наждачной- бумагой, если была такая необходимость.
Далее к заготовкам из низколегированных сталей по периметру приваривали технологические пластины в виде полос из низкоуглеродистой стали шириной 40 мм, таким образом, чтобы их верхняя поверхность совпала с плакируемой поверхностью заготовки (рис.5.2.2 б).
