Статьи о радиотехнике, технологиях, чертежах, 3D-моделировании

Публикации для людей, интересующихся наукой и техникой

Сварка взрывом

В последние годы все чаще в самых разных областях техники (ракетной, авиационной, автомобильной, а также в судостроении) используется сварка взрывом. Этим способом соединяют самые различные металлы и сплавы, получают сложные композиционные материалы и осуществляют сложное формоизменение разнообразных материалов.

В различных отраслях машиностроения непрерывно растет потребность в конструкционных материалах с высокой стойкостью коррозионных средах, абразивного износа, износа трением в сочетании с высокими механическими свойствами. Производство полуфабрикатов и изделий из новых материалов традиционными методами обработки давлением в ряде случаев невозможно или же требует создания мощного дорогостоящего оборудования. Один из распространенных способов получения биметаллов – сварка взрывом.

Сварка взрывом – процесс получения прочного соединения двух или нескольких металлических тел, происходящий при их соударении. Ускорение соударяющихся тел до необходимой скорости осуществляется, как правило, под действием энергии взрыва, выделяющейся при детонации взрывчатого вещества.

При сварке взрывом образование соединения происходит в процессе соударения двух свариваемых деталей (пластин) под воздействием ударной волны. При этом ударная волна очищает поверхность и деформирует прилегающие к зоне соединения приповерхностные объемы материала. Схема сварки показана на рис. 1.

Схема сварки взрывом

Рис. 1. Схема сварки взрывом:

1 — детонатор; 2 — взрывчатое вещество; 3— привариваемая пластина; 4 — заготовка

Для получения соединения при сварке взрывом необходимо выполнение двух условий:

  • давление при соударении должно достичь определенного значения;
  • скорость перемещения точки соударения должна быть меньше скорости звука.

Давление при соударении зависит от скорости движения пластины, а скорость движения пластины - от соотношения c/m, где с - масса заряда; m - ускоряемая масса.

Так как ускорение движения пластины до конечной скорости занимает определенное время, между метаемой пластиной и мишенью должно быть достаточный зазор. Давление на поверхности раздела при соударении должно быть в 10 раз больше предела текучести материала. Установлено, что обобщающим параметром сварки взрывом может быть пластическая деформация материала в зоне соединения. Скорость перемещения точки соударения не должна превышать скорости звука в металле по следующим причинам. Когда две пластины первоначально параллельны, и детонация распространяется с одного конца, скорость перемещения точки соударения равна скорости детонации заряда. Скорость ударной волны приближается к скорости звука в металле пластины. Если скорость детонации больше скорости звука, то отраженная звуковая волна может разрушить только что созданное сварное соединение. Поэтому подбирают такое взрывчатое вещество, чтобы скорость детонации была от 2500
до 3600 м/с, тогда отраженная звуковая волна ударяется о свариваемую плоскость раньше, чем давление взрыва ударом соединит верхнюю пластину с нижней.

Большинство технологических схем сварки взрывом основано на использовании направленного взрыва. Кумулятивность осуществляется тем, что свариваемые детали располагаются под некоторым углом 2... 16℃ и начальным расстоянием друг от друга в вершине угла 2...3 мм. Следует учесть, что воздушная кумулятивная струя во всех случаях движется с большей скоростью, чем звуковая и детонационная (рис. 2). Эта струя, направленная из острия угла у в сторону его раствора, обладает давлением порядка от нескольких тысяч до 1011 Па.

Кумулятивность сварки взрывом

Рис. 2. Кумулятивность сварки взрывом:

А – направление детонации, Б – кумулятивная струя, 1 – взрывчатое вещество,

2 – свариваемые детали (метаемая и неподвижная детали)

Благодаря такому огромному давлению и весьма большой скорости (6000...7000 м/с) высокотемпературная кумулятивная струя производит прежде всего идеальную очистку поверхности пластин от любого вида загрязнения. Однако эта же струя создает волновой профиль на поверхности металла с высотой и длиной волн порядка десятых долей миллиметра.

Несмотря на большое давление воздушной кумулятивной струи и последующий за ней сильнейший удар детонационной волны взрыва, зона пластических деформаций в сварном контакте относительно невелика, она лишь немного превышает толщину фронта ударной волны, составляющую приблизительно 30...300 параметров кристаллической решетки. Исходная толщина свариваемых деталей почти не изменяется и после сварки. Весь процесс сваривания протекает за миллионные доли секунды, что и определяет значительное структурное своеобразие самого сварного соединения. В микромасштабе кристаллов металл нагревается почти до температуры кипения (Тки = 2500 К). В результате этих процессов происходит значительное упрочнение металла. Качество взрывно-сварных соединений будет высоким, если правильно подобрать режимы сварки для каждого сечения металлов. Сварные соединения выдерживают в дальнейшем любую механическую и термическую обработку.

Взрывчатые вещества для сварки

Встречается довольно большое количество различных детонирующих веществ, которые могут применяться при сварке. Среди особенностей их выбора отметим следующие пункты:

  • Большей популярностью пользуются насыпные вещества, так как при их применении можно создать заряд требуемой формы и размеров.
  • Уделяется внимание также выбору детонатора.
  • Для каждого случая выбирается вещество опытным путем. В специализированных магазинах можно встретить требуемые материалы.

На рис. 3 показан сварочный шов при сварке взрывом.

Сварочный шов при сварке взрывом

Рис. 3. Сварочный шов при сварке взрывом

Влияние исходного состояния свариваемых материалов

Исходное состояние изделий во многом отражается на качестве соединения. На состояние шва может отражаться:

  • Наличие или отсутствие загрязнений. Коррозия на поверхности может существенно снизить качество соединения.
  • Степень проявления микронеровностей. Если поверхность характеризуется сильной волнистостью, то необходимо провести ее предварительное выравнивание.
  • Тип соединяемых металлов. При необходимости можно провести соединение легированных сплавов и углеродистых сталей, цветных металлов.

Особенности процесса сварки взрывом следующие:

  • сварное соединение образуется моментально (миллионные доли секунд). Оно возникает вследствие образования металлических связей при совместном пластическом деформировании свариваемых поверхностей металла. Короткая продолжительность сварки предотвращает возникновение диффузионных процессов, что позволяет сваривать металлы, которые при обычных процессах сварки с расплавлением образуют в шве хрупкие интерметаллические вещества, делающие швы непригодными к эксплуатации;
  • при сварке взрывом можно получить соединения неограниченной площади. При этом процесс сварки осуществляется тем легче, чем больше отношение площади соединения к толщине метаемой части металла. Можно осуществлять сварку соединений площадью 15...20 м2.

Техника безопасности

При работе со взрывчатыми веществами необходимо тщательно соблюдать технику безопасности, ориентируясь на меры противопожарной безопасности. Риск вредного воздействия на работников и на окружающих очень велик, не стоит забывать о низком проценте управляемости взрывной волны. По этим причинам рекомендуется придерживаться следующих ограничений:

  • На полигоне. Это масштабный кусок земли для подобных опасных испытаний. Оборудовать полигон для сварки взрывом обязательно вдали от жилья.
  • На площадке. Сам процесс должен осуществляться на предварительно подготовленной рабочей площадке, углубленное место с песчаной «подушкой», она должна быть толстой, тем сильнее она будет гасить взрывную волну, но предел толщины
    1 метр.
  • В защитных камерах. На производстве чаще всего встречается небольшой заряд 15-20 кг. Для взрыва используют отдельном пустое помещение со стенами из бетона или кирпича, толщиной 30 см и более. Целостность оболочки камеры не должна быть нарушена.
  • Индивидуальная защита. Применение средств индивидуальной защиты просто неотъемлемая часть техники безопасности при сварке.

Соблюдение вышеперечисленных рекомендаций снизит вероятность возникновения чрезвычайных ситуаций во время процесса, который имеет, в свою очередь, некоторые особенности.

Достоинства сварки взрывом

Изготовление многослойных листов, полос и сплавов, в том числе и тех, сварка которых другими способами затруднена, можно соединить между собой практически все металлы или сплавы, используемые в промышленности, с высокой прочностью соединения слоев. При сварке взрывом, биметаллы должны быть прочными и иметь заданные свойства, которые не встречаются у природных материалов — малый удельный вес, высокую прочность, антикоррозионные и другие физико-химические свойства.

Недостатки сварки взрывом

Низкая степень безопасности при проведении взрыва, так как контролировать взрывную волну достаточно сложно.

Для того чтобы предоставлять рассматриваемые услуги нужно пройти специальное обучение и получить на это допуск. Несоблюдение технологии приводит к тому, что заготовка может быть повреждена.

Работа может проводится только при условии наличия специальной защитной камеры или полигона.

Автоматизировать рассматриваемый процесс практически невозможно. Именно поэтому к каждому процессу соединения изделий приходится тщательно подготавливаться.

Рассматриваемый способ сварки характеризуется тем, что подготавливать поверхность к обработке не нужно. За счет этого существенно упрощается процесс и снижаются расходы.

Детали и конструкции, полученные при сварке взрывом показаны на рис. 4.

Детали полученные сваркой взрывом

Рис. 4. Детали, полученные сваркой взрывом

Сварка взрывом — 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.

Надеюсь теперь вы разобрались с процессом сварки взрывом, как это устроено, сильные и слабые стороны этого метода. Если у вас остались вопросы, можете их задать тут.