СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЛИСТОВ
METHOD FOR CONNECTING LARGE-SIZED BIMETAL SHEETS

Предлагаемый способ относится к области сварки взрывом, в частности к изготовлению крупногабаритных двухслойных коррозионно-стойких листов.
Сварка крупногабаритных листов, площадь которых достигает, нескольких квадратных метров осуществляется наиболее эффективно путем сварки взрывом.
Актуальность решаемой технической проблемы основана на следующих трудностях. При сварке взрывом по схеме с параллельным расположением листов теоретически возможно соединение неограниченных по размерам листов. Однако практическое использование этих возможностей встречает серьезное затруднение из-за постепенного ухудшения свойств в сварном соединении, по мере удаления точки контакта от начала процесса сварки взрывом (Кудинов В.М. и др. Сварка взрывом в металлургии, М.: «Металлургия», 1978, с. 105). Основной причиной ухудшения свойств (снижения прочности) соединения, исследователи называют увеличение количества оплавленного металла в зоне соединения, начиная с длины 1520-1700 мм и доходящего до сплошной прослойки. Это объясняется увеличением длительности контакта свариваемых металлов с облаком частиц выносимого металла, имеющих высокую температуру в сварочном зазоре, что приводит сначала к оплавлению микронеровностей, а затем к появлению сплошных расплавов. Одним из приемов позволяющим минимизировать количество оплавленного металла в зоне соединения и тем самым, стабилизировать прочность на отрыв слоев в пределах всей площади сварки взрывом крупногабаритных биметаллических листов, является проведение сварки взрывом вдоль короткой стороны листа.
Из предшествующего уровня техники известен способ сварки взрывом крупногабаритных плоских биметаллических листов, включающий установку над плакируемым листом со сварочным зазором плакирующего листа с обеспечением его нависания, размещение заряда взрывчатого вещества в контейнере, имеющем форму прямой призмы с основанием в виде равнобокой трапеции. Нависание плакирующего листа над плакируемым листом устанавливают в соответствии с направлением детонации (патент РФ №2343056, МПК B23K 20/08, публ. 10.01.09). Для примера рассмотрена сварка листов стали Ст3сп ГОСТ 14637-89 и 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72 размерами соответственно 30×1452×2940 мм и 3×1500×3000. В качестве сварочной взрывчатой смеси используется смесь аммонита 6ЖВ с кварцевым песком в соотношении 67/33. Недостатками способа являются: потери легированной стали при обрезании нависания, затраты на изготовление взрывчатой смеси, отсутствие гарантии воспроизводимого качества сварки на длине листов более 3000 мм.
Известен в качестве прототипа способ получения крупногабаритных двухслойных стальных листов сваркой взрывом (патент РФ №2453409, МПК B23K 20/08, публ. 20.06.12), включающий сборку металлопакета, размещение его на опоре, нанесение взрывчатой смеси на поверхность плакирующего листа и ее инициирование, при сборке металлопакета по контуру плакирующего и плакируемого листов осуществляют прикрепление технологических пластин из конструкционной стали, для размещения собранного металлопакета используют песчаную опору, поверх нанесенной на поверхность плакирующего листа взрывчатой смеси послойно размещают мягкую кровлю и песчаный слой, а точку инициирования взрывчатой смеси располагают на технологической пластине, при этом взрывчатую смесь приготавливают посредством механического перемешивания микропористой аммиачной селитры и дизельного топлива с добавлением красителя в количестве не менее 0,002 кг на 10 кг дизельного топлива для обеспечения визуального контроля качества перемешивания.
К недостаткам известного способа относятся: - сравнительно высокая трудоемкость и продолжительность процесса изготовления взрывчатой смеси (ВС); - возможная частичная потеря взрывчатых свойств, применяемой ВС из-за плохого удержания дизельного топлива гладкими гранулами селитры, что при изготовлении и укладке заряда большой массы более 5-6 часов может привести к отказам при подрыве заряда ВС; - для стабильной детонации заряда ВС требуется послойное размещение над ним мягкой кровли и песчаного слоя; - из-за низкой чувствительности применяемой ВС к начальному импульсу требуется дополнительное инициирующее устройство из более чувствительных ВВ (таких, как шашка тротила, патрон аммонита №6ЖВ и др.).
2
Задачей предлагаемого изобретения является разработка эффективного способа соединения крупногабаритных металлических листов (площадью порядка 9 м и более).
Новый технический результат, обеспечиваемый использованием предлагаемого способа, заключается в упрощении технологии изготовления крупногабаритных биметаллических листов за счет уменьшения числа операций и повышения прочности сварного соединения за счет перенаправления распространения детонации в поперечном направлении.
Указанные задача и новый технический результат обеспечивается тем, что в отличие от известного способа соединения крупногабаритных биметаллических листов, включающего предварительную подготовку поверхности свариваемых металлических листов путем зачистки, последующую приварку дополнительных технологических пластин по периметру свариваемых металлических листов, сборку пакета листов с выдерживанием необходимого сварочного зазора, установку пакета на песчаную опору, установку контейнера на поверхность плакирующего листа, согласно изобретению внутри контейнера, выполненного в виде рамки, вдоль технологической пластины плакирующего листа большей длины укладывают отрезок детонационного шнура (ДШ), затем засыпают порошкообразное ВВ в контейнер, расположенный на поверхности плакирующего листа, выравнивая заподлицо с верхней его кромкой, в качестве ВВ используют аммонит, заряд ВВ инициируют уложенным указанным образом детонационным шнуром, инициирование заряда ВВ детонационным шнуром осуществляют с возможностью направления распространения плоского фронта детонации в слое ВВ под углом 20-25° к длинной стороне плакирующего листа, детонатор для инициирования ДШ располагают за пределами свариваемого пакета листов и прикрепляют к ДШ.
Предлагаемый способ поясняется следующим образом.
Схема реализации предлагаемого способа представлена на фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 - изображена схема сборки пакета листов для сварки взрывом, на фиг. 2 - вид сборки сверху.
На фиг. 1-1- заряд ВВ из аммонита, 2 - контейнер, 3 - детонационный шнур (ДШ), 5 -элемент крепежа плакирующего листа относительно плакируемого, 6 - плакирующий лист, 7 - втулка для фиксации зазора, 8 - конусообразная опора для обеспечения сварочного зазора, 9 - плакируемый металлический лист, 10 - технологические пластины по периметрам плакируемого и плакирующего листов.
На фиг. 2-1- заряд ВВ из аммонита, 2 - контейнер, 3 - детонационный шнур (ДШ), 4 - детонатор.
Предлагаемый способ поясняется следующим порядком выполнения технологических операций.
К плакируемому листу 9 из углеродистой стали и плакирующему листу 7 из коррозионно-стойкой стали на одном уровне со свариваемыми поверхностями по периметру приваривают технологические пластины 10. В технологических пластинах 10 сверлят отверстия для крепления листов болтами 5. Плакируемый лист 9 собирают с плакирующим листом 7 с определенным сварочным зазором. Сварочный зазор обеспечивают конусообразными опорами 8 и втулками 7. Собранный пакет устанавливают на опору из песка. Монтируют на поверхности плакирующего листа 6 контейнер 2. В контейнер 2 вдоль длинной стороны укладывают на технологическую пластину 10 детонационный шнур (ДШ) 3. Заряд ВВ 1 аммонит АТ-2 засыпают равномерным слоем внутрь контейнера 2 и выравнивают деревянной рейкой заподлицо с верхней поверхностью контейнера 2, чтобы получить слой ВВ АТ-2 требуемой постоянной толщины. ДШ 3 инициируют детонатором 4.
В ходе сборки пакета (плакируемого и плакирующего листов) проводят приварку технологических пластин по периметру плакируемого и плакирующего листов, что позволяет вынести начало и окончание сварки взрывом за пределы свариваемых листов и уменьшить появление непроваров в начале и конце сварного соединения. В технологических пластинах сверлят отверстия для крепления плакирующего листа к плакируемому листу. Свариваемые поверхности листов зачищают до металлического блеска и обезжиривают, исключая наличие загрязнений (окалины, масляных пленок, пыли и других загрязнений) в сварном соединении. На плакируемый лист устанавливают конусообразные опоры, которые обеспечивают постоянный технологический сварочный зазор между плакируемым и плакирующим листами. Плакируемый лист собирают с плакирующим листом с определенным сварочным зазором и фиксируют крепежными элементами. Для предотвращения попадания в сварочный зазор между плакируемым и плакирующим листами пыли, песка, воды и других загрязнений, сварочный зазор по периметру пакета герметизируют (например, скотчем). Собранный пакет устанавливают на опору, выполненную из песка, которая гасит давление продуктов взрыва на свариваемый пакет листов. На наружной поверхности плакирующего листа монтируют контейнер выполненный в виде формирующей рамки, для размещения в нем системы инициирования и заряда ВВ. Внутрь контейнера вдоль длинной стороны укладывают детонационный шнур для инициирования заряда ВВ, который обеспечивает распространение плоского фронта детонации ВВ под углом 20-25° к длинной стороне плакирующего листа, что позволяет минимизировать количество оплавленного металла в зоне сварного соединения и тем самым, стабилизировать прочность сварного соединения в пределах всей площади сварки взрывом крупногабаритных биметаллических листов. Так же, распространение фронта детонации под углом 20-25° к длинной стороне листа снижает выдавливание металла по кромкам плакируемого листа и уменьшает величину боковых непроваров в соединении. Это в отличие от прототипа менее сложно и позволяет исключить операции размещение слоя сначала мягкой кровли, затем слоя песка. Заряд ВВ аммонит АТ-2 засыпают равномерным слоем внутрь контейнера и выравнивают заподлицо с верхней поверхностью контейнера, чтобы получить слой ВВ АТ-2 требуемой постоянной толщины. ДШ инициируют детонатором. В результате взрыва заряда ВВ, по линии контакта между плакирующим и плакируемым листами образуется прочное сварное соединение (фото, фиг. 3).
Таким образом, при использовании предлагаемого способа обеспечивается упрощении технологии изготовления крупногабаритных биметаллических листов за счет уменьшения числа операций и повышения прочности сварного соединения за счет перенаправления распространения детонации в поперечном направлении.
Возможность промышленной реализации предлагаемого способа подтверждается следующим примером.
Пример 1. Предлагаемый способ использовали при изготовлении сваркой взрывом крупногабаритных биметаллических листов из стали марки 09Г2С размерами 18×1500×6000 мм и корозионно-стойкой стали марки 12Х18Н10Т размерами 4×1500×6000 мм. Свариваемые поверхности листов зачищали до металлического блеска. К плакируемому и плакирующему листам прямоугольной формы заподлицо с свариваемыми поверхностями стальных листов по периметру приваривали технологические пластины толщиной 4 мм с шириной пластин 60 мм, а со стороны инициирования заряда ВВ шириной 100 мм, изготовленные из полосы низкоуглеродистой стали Ст. 3. Приварку боковых технологических пластин выполняли со стороны противоположной зачищенной поверхности, ручной дуговой сваркой прихватками длинной 30 мм с шагом 200 мм.
Поверхность технологических пластин зачищали до металлического блеска и обезжиривали свариваемые поверхности пластин и листов. На поверхность плакируемого листа устанавливали конусообразные опоры для обеспечения необходимого сварочного зазора между свариваемыми листами и скрепляли листы болтами. Сварочный зазор по периметру пакета герметизировали скотчем. Укладывали собранный пакет на песчаную опору. Устанавливали на поверхность плакирующего листа контейнер с высотой сторон по периметру 45 мм. В контейнер вдоль длинной стороны укладывали отрезок ДШ длиной 6500 мм. Заряд промышленного ВВ аммонит АТ-2 засыпали равномерным слоем внутрь контейнера и выравнивали деревянной рейкой заподлицо с верхней поверхностью контейнера, чтобы получить слой АТ-2 требуемой постоянной толщины. К ДШ, изоляционной лентой крепили детонатор и производили инициирование заряда ВВ.
2
В результате проведенного эксперимента, сваркой взрывом получен биметаллический лист с основным слоем из стали 09Г2С и плакирующим слоем толщиной 4 мм из стали 12Х18Н10Т с площадью сварного соединения 9 м.
Качество полученного сварного соединения подтверждено ультразвуковыми, металлографическими исследованиями и механическими испытаниями. Трещин и расслоений в соединении металлов сваренных взрывом не обнаружено. Сварной шов имеет волнообразную линию соединения с минимальным количеством расплавов (фото. фиг. 3). Соединение соответствует по сплошности 1 классу ГОСТ 10885-85.
Прочность соединения слоев составила ≥288 МПа при испытаниях на срез и ≥305 МПа при испытаниях на отрыв (минимальная 147 МПа по ГОСТ 10885-85).
Таким образом, как это подтвердил эксперимент, предлагаемый способ соединения крупногабаритных биметаллических листов значительно упрощает технологию сварки взрывом, обеспечивает высокое качество и прочность сварного соединения. Это достигается за счет использования промышленного ВВ - аммонит АТ-2 и инициирования заряда ВВ детонационным шнуром (ДШ), по длинной стороне листа с направлением плоского фронта детонации ВВ под углом 20-25° к длинной стороне плакирующего листа, что позволяет минимизировать количество оплавленного металла в зоне сварного соединения и тем самым, стабилизировать прочность сварного соединения в пределах всей площади сварки взрывом крупногабаритных биметаллических листов. Так же, распространение фронта детонации под углом 20-25° к длинной стороне листа снижает выдавливание металла по кромкам плакируемого листа и уменьшает величину боковых непроваров в соединении. При этом обеспечивается качественное и прочное сварное соединение (фото, фиг. 3).