Сварка взрывом

              Сварка трением выполняется в твёрдом состоянии под воздействием теплоты, возникающей при трении поверхностей свариваемых деталей, с последующим приложением сжимающих усилий. Прочное сварное соединение образуется в результате возникновения  металлических связей  между контактирующими поверхностями свариваемых деталей.

              Сварка ультразвуком. При сварке ультразвуком неразъёмное соединение металлов образуется при одновременном воздействии на детали механических колебаний высокой частоты и относительно небольших сдавливающих усилий. Этот способ применяется при сварке металлов, чувствительных к нагреву, пластичных металлов, неметаллических материалов.

              Сварка взрывом основана на воздействии направленных кратковременных сверхвысоких давлений энергии взрыва порядка (100...200) Х 108 Па на свариваемые детали. Сварку взрывом используют при изготовлении заготовок для проката биметалла, при плакировке поверхностей конструкционных сталей металлами и сплавами с особыми физическим и химическими свойствами, а также при сварке деталей из разнородных металлов и сплавов.

              Сварка взрывом:

              Было замечено, что при взрывах разлетающиеся куски металла, ударяясь об окружающие металлоконструкции, иногда прочно привариваются к ним. Проведенные исследования позволили создать промышленно пригодный способ сварки взрывом. Сущность же сварки взрывом сводится к тому, что ударяющаяся или привариваемая заготовка с большой скоростью бросается к детали, на которую определённым образом воздействует удар. При этом скорость движения ударяющей детали должна к моменту соударения обязательно достигать нескольких сотен метров в секунду, что практически равносильно скорости снаряда огнестрельного оружия.

              Когда происходит соударение соединяемых между собой деталей, в этом месте металл расплавляется и течёт подобно обычной жидкости. Спустя какое-то время, свариваемые детали сливаются в единое целое, образуя в результате монолитную конструкцию. Следует отметить, что ударяющая заготовка бросается на другую деталь посредством взрывчатого вещества. В свою очередь, вес данного вещества должен составлять не менее десяти – двадцати процентов веса самой ударяющей заготовки. Ударяемая же деталь может иметь абсолютно любую массу.

              В случаях, когда ударяемая деталь имеет недостаточную массу, способную выдержать сильный удар, её укладывают на специальное массивное основание. Подобным образом происходит увеличение ударяемой массы детали, что существенно увеличивает применении энергии, возникающей вследствие взрыва. Если в этом возникает необходимость, то ударяемую деталь не только укладывают на массивное основание, но и прикрепляют к нему посредством особых крепёжных элементов. В результате ударяемая деталь, наряду с увеличением веса, получает и дополнительную устойчивость.

              -определение:

              Сварка взрывом — сварка, при которой соединение образуется за счет совместной пластической деформации в результате вызванного взрывом соударения быстродвижущихся деталей. Кинетическая энергия соударения соединяемых частей затрачивается на работу совместной пластической деформации контактирующих слоев металла, приводящей к образованию сварного соединения. При этом часть работы пластической деформации переходит в теплоту, которая может разогревать металл в зоне соединения до высоких температур, вплоть до плавления локальных объемов. Это сравнительно новый перспективный технологический процесс, позволяющий получать биметаллические заготовки и изделия практически неограниченных размеров из разнообразных металлов и сплавов, в том числе тех, сварка которых другими способами затруднена.

              -технологический процесс:

              Сварка взрывом — процесс получения соединения под действием энергии, выделяющейся при взрыве заряда взрывчатого вещества (ВВ). Принципиальная схема сварки взрывом приведена на рис. 1. Неподвижную пластину (основание) 4 и метаемую пластину (облицовку) 3 располагают под углом α = 2–16° на заданном расстоянии h = 2–3 мм от вершины угла. На метаемую пластину укладывают заряд ВВ 2. В вершине угла устанавливают детонатор 1. Сварка производится на опоре 5. При возбуждении с помощью детонатора заряда ВВ по нему распростроняется фронт детонационной волны со скоростью детонации D, составляющей 2000-8000 м/с (детонация — процесс разложения ВВ с выделением газа и тепла). Образующиеся позади фронта детонации газообразные продукты взрыва в начальный период создают давление 100-200 Гпа,сохраняя в течение короткого времени по инерции прежний объем ВВ, а затем со скоростью 0,5-0,75D расширяются, сообщая находящемуся под ним участку металла импульс движения. Под действием этого импульса объемы заготовки последовательно вовлекаются в ускоренное движение к поверхности неподвижной части металла и с большой скоростью соударяется с ней. При установившемя процессе метаемая пластина на некоторой длине дважды перегибается, ее наклонный участок по углом движется со скоростью D за фронтом детонационной волны. При соударении из вершин угла выносятся тонкие поверхностные слои, окислы и загрязнения. То есть в месте соударения возникает эффект кумуляции — из зоны соударения выбрасывается с очень высокой скоростью кумулятивная струя, состоящая из металла основания и облицовки. Эта струя обеспечивает очистку свариваемых поверхностей в момент, непосредственно предшествующий их соединению. Со свариваемых поверхностей при обычно применяемых режимах сварки удаляется слой металла суммарной толщиной 1–15 мкм. Высокоскоростное соударение метаемой части металла с неподвижной пластиной вызывает течение металла в их поверхностных слоях. Поверхности сближаются до рассояния действия межатомных сил сцепления и происходит схватывание по всей площади соединения с характерной волнообразной границей раздела соединяемых деталей. Продолжительность сварки взрывом не превышает несколько микросекунд. Прочность соединений, выполняемых сваркой взрывом, выше прочности соединяемых деталей. Это объясняестя упрочнением тонких слоев металла , прилегающих к соседним поверхностям, при их пластической деформации. Исследование пластической деформации в зоне соударения по искажению координатной сетки показало, что прочное соединение образуется только там, где соударение сопровождается взаимным сдвигом поверхностных слоев метаемой пластины и основания. Там же, где взаимный сдвиг отсутствовал, и в частности в зоне инициирования взрыва, прочного соединения не было получено. Очевидно, что «лобовой» удар метаемой пластины в основание без тангенциальной составляющей скорости и сдвиговой деформации в зоне соединения не приводит к сварке.

Рис. 1. Угловая схема сварки взрывом до начала (а) и на стадии взрыва (б)

Вторым примером использования сварки взрывом могут служить стыки соединяемых труб.  Применяется телескопический или нахлесточный стык (см рис.2), где 1 и 2 - соединяемые трубы, 3 - взрывчатка, 4 - детонатор. Взрывчатка располагается по стыку кольцеобразной полосой. Для устранения смятия труб при взрыве может быть применен достаточно прочный сердечник (не показан на рисунке).

Рис.2. Соединение труб сваркой взрывом.

              В современных процессах металлообработки взрывом применяют заряды ВВ массой от нескольких граммов до сотен килограммов. Большая часть энергии, выделяющейся при взрыве, излучается в окружающую среду в виде ударных волн, сейсмических возмущений, разлета осколков. Воздушная ударная волна — наиболее опасный поражающий фактор взрыва. Поэтому сварку взрывом производят на полигонах (открытых и подземных), удаленных на значительные расстояния от жилых и промышленных объектов, и во взрывных камерах (см. рис. 3).

Рис. 3. Общий вид камеры для сварки взрывом

              Сварка взрывом применяется для плакирования стержней и труб, внутренних поверхностей цилиндров и цилиндрических изделий  При плакировании стержней трубу 1 (рис.4, а) устанавливают с зазором на стержень 2. Внутреннюю поверхность трубы и наружную поверхность стержня механически обрабатывают и обезжиривают. На наружную поверхность трубы помещают заряд взрывчатого вещества 3, инициирование которого производят по всему сечению одновременно так, чтобы взрыв распределялся по заряду нормально его оси. Для создания такого фронта используют конус из ВВ с детонатором 4 в его вершине. Для изоляции зазора от продуктов детонации и центрирования трубы относительно стержня в верхней ее части устанавливается металлический конус 5. В случае плакирования трубных заготовок 6 внутрь их устанавливается стержень 2. Толщина плакирующей трубы может быть от 0,5 до 15 мм, а диаметр теоретически не ограничивается.

При плакировании внутренних поверхностей используется схема, показанная на рис. 4, б. Она предусматривает размещение плакируемой трубы 1 в массивной матрице 2. Внутрь трубы 1 с зазором устанавливают плакирующую трубу 3 с зарядом ВВ 4, инициируемого детонатором 5. Для внутреннего плакирования крупногабаритных труб и цилиндрических изделий ответственного назначения применяют вместо массивной матрицы 2 дополнительный заряд, расположенный на наружной поверхности плакируемого цилиндра и взрываемый одновременно с внутренним зарядом.

Рис.4 Схема плакирования взрывом стержня(а) и внутренней поверхности трубы(б).

              -подготовка поверхностей:

              Соединяемые поверхности перед сваркой должны быть чистыми (в особенности по органическим загрязнениям), так как ни действие кумулятивной струи, ни вакуумная сдвиговая деформация при соударении полностью не исключают вредного влияния таких загрязнений. Однако полной и очень тщательной зачитски поверхностей этот метод не требует

-области применения:

              Сварка взывом применяется при изготовлении следующих деталей:

- Двух и трёхслойные листы , полученные сваркой взрывом с последующей прокаткой в виде листов и рулонов – штрипсов. Плакирующий  слой  в заготовке   под прокатку  из нержавеющей стали  имеет толщину  10-16 мм. Толщина  листов после  прокатки  2-30 мм , толщина  плакирующего  слоя  5-20 %  от  общей  толщины.

- Трубы  бесшовные  и электросварные   коррозионно-стойкие с плакирующим слоем из высоколегированных сталей и сплавов толщиной  0,4-0,5мм 

- Плакировать методом сварки  взрывом   коррозионно-стойкой сталью и цветными металлами готовые изделия, поковки, заготовки: трубные решётки, цилиндры, лопасти и т.п. из стали  и цветных металлов

- Переходники двух и трёхслойные плоские и цилиндрические:  для сварки металлоконструкций из  разнородных материалов,  например  стали и  алюминия, титана и  алюминия, стали  и титана и т.п. ,  трубопроводов, в  том  числе  для  монтажа  труб с  покрытием  из полимеров, стекло эмали, стекла.

-технико-экономические приемущества:

Несомненное достоинство данного способа – простота технологических операций и высокое качество получаемых соединений; прочность сцепления слоев в изготовленных взрывом биметаллах и многослойках, как правило, превышает прочность наиболее слабого материала (при испытании образцов на отрыв разрушение происходит по более слабому материалу). Кроме того, сварка взрывом позволяет получать соединения практически всех коммерческих металлов и сплавов, в том числе и таких, которые сварить другими способами весьма проблематично (сталь+алюминий, сталь+титан, алюминий+медь, сталь+медь и др.). Весьма эффективно применение сварки взрывом в мелкосерийном и штучном производстве при быстро меняющейся конъюнктуре рынка, поскольку для реализации технологий сварки взрывом не требуется дорогостоящего оборудования и серьезных капитальных вложений

Сварка взрывом, являясь по сути «холодной сваркой», позволяет соединять между собой металлы с различными физико-механическими характеристиками. При этом, сварку взрывом можно использовать как первоначальный этап по производству биметаллических материалов, производя в дальнейшем прокатку биметаллических заготовок до необходимых размеров.Разработан новый вид сварки взрывом для получения тонколистовых заготовок биметаллов или многослойных металлических материалов, позволяющий получать прочное соединение между металлами или сплавами на площади до сотен квадратных метров. При этом заготовка представляет собой биметалл, свернутый в многовитковой рулон высотой 0,5-1,5 метра и длиной от одного до нескольких десятков метров в зависимости от толщины свариваемых металлов или сплавов. Толщины соединяемых металлов от 0,1 мм до 2 мм.

                  недостатки метода:

                 Однако, несмотря на многочисленные приемущества сварки взрывом, существуют так же значительные недостатки, такие как:  малая автоматизация процесса, большая трудоемкость процесса, жестокие требования к безопасности проведения работ и хранения взрывчатых веществ.Поскольку сварка взрывом имеет ряд особенностей, таких, например, как нестабильность детонационных процессов в применяемых ВВ и сильная зависимость скорости детонации D от химического и гранулометрического состава, требуется систематический контроль параметров с помощью электроизмерительных приборов по специальным методикам. Поэтому сварка взрывом при кажущейся технологической простоте достаточно наукоемкая область производства, требующая высокой квалификации персонала и серьезной исследовательской базы.

Сотрудниками "Уралхиммаш"на основе анализа обширных экспериментальных данных разработана уникальная методика определения оптимальных технологических параметров сварки взрывом различных пар металлов, оформленная в виде пакета прикладных программ, которая позволяет в очень короткие сроки разрабатывать промышленные технологии по сварке взрывом.

Методика базируется:

– на определении оптимального остаточного давления продуктов детонации, оказывающего положительное влияние на качество получаемого соединения;

– на определении оптимальных периферийных нависаний метаемой заготовки, исключающих нежелательные краевые эффекты, с учетом детонационно-баллистических характеристик ВВ, величины сварочного зазора и толщины заряда;

– на сопутствующем контроле параметров сварки взрывом (скорость детонации, угол соударения, стабильность процесса детонации) с использованием комплекса специализированной измерительной аппаратуры.

Внедрение методики в производство позволило свести процент брака практически к нулю, что особенно актуально при изготовлении  мелкосерийного и штучного оборудования.

-достижения последних лет:

              Недавно разработан новый способ сварки взрывом с использованием теплового потока ударно сжатого воздуха. В отличие от известных способов сварки взрывом, прочное соединение происходит при гораздо меньших нагрузках, снимается ограничение на скорость точки контакта. Это позволяет расширить номенклатуру свариваемых материалов. Прочностные испытания различных образцов, сваренных по данной технологии, показывают, что прочность на отрыв сварного шва не ниже прочности наименее прочного металла.
              Так же развивается рулонный способ сварки взрывом изделий из тонколистовых заготовок.  Возможна сварка взрывом тонколистовых и многослойных заготовок из титана, никеля, стали и других металлов.