СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОЙ СВАРКИ ВЗРЫВОМ
COMBINED EXPLOSIVE WELDING METHOD

Изобретение относится к области сварки взрывом и может быть использовано при изготовлении биметаллических заготовок и переходных элементов преимущественно из разнородных металлов для электротехники, электрометаллургии, машиностроения и судостроения.
Известен способ сварки взрывом аморфных металлических фольг, при котором к фольге подсоединяют токоподводы, нагревают ее импульсом тока, а подрыв заряда производят после превышения температурой фольги температуры стеклования сплава (патент РФ №2024374, МПК В23К 20/08, опубл. 15.12.94). Недостатком данного способа является невысокая и нестабильная прочность биметаллического соединения из-за изменения детонационных характеристик взрывчатого вещества (ВВ), связанных с ее нагревом, а также возможность спонтанной или частичной детонации взрывчатки. Кроме того, данный способ не позволяет качественно сваривать такие пары разнородных металлов, как алюминий-сталь, алюминий-медь, титан-сталь и др., которые при нагревах склонны к образованию хрупких интерметаллидных прослоек и оплавов, резко снижающих прочность соединения.
Известен способ сварки взрывом, при котором неподвижную вольфрамовую пластину предварительно нагревают через нержавеющую плиту, подсоединенную проводником к нагревателю; при достижении вольфрамовой пластины заданной температуры ее перемещают под метаемую медную пластину с зарядом ВВ, а затем осуществляют его инициирование во взрывной камере (Э.Картон, М.Стуивинга/ Нидерланды // Автоматическая сварка, 2009, №11, с.57-60). Основными недостатками данного способа являются высокая стоимость и трудоемкость изготовления биметалла, связанные с применением одноразового устройства для перемещения неподвижной пластины, т.к. после подрыва заряда ВВ оно сильно деформируется и практически восстановлению не подлежит. Кроме того, данный способ имеет существенные ограничения по допускаемой мощности взрывчатки и размерам свариваемых заготовок, т.к. сварка взрывом производится только во взрывной камере.
Известен способ сварки взрывом, при котором с целью повышения точности определения параметров сварки взрывом и качества сварного шва боковой поверхности неподвижного листа на заданном расстоянии устанавливают стержневые датчики, выполненные высотой, увеличивающейся в направлении, перпендикулярном направлению волны детонации, с возможностью контактирования их концов с метаемым листом при инициировании заряда ВВ (патент РФ №2270741, МПК В23К 20/08, опубл. 27.02.2006). Недостатками данного способа являются значительная деформация (прогиб) биметаллической заготовки, повышенный расход металла и взрывчатки из-за увеличения размеров бокового нависания заряда ВВ и, соответственно, увеличения размеров метаемой заготовки, что связано с необходимостью исключения отрицательного влияния волн боковой разгрузки на краевых участках и обеспечения равномерного импульса давления продуктов детонации по всей площади биметалла. Кроме того, данный способ очень трудоемок, имеет низкую производительность и высокую стоимость изготовления биметалла вследствие применения дорогостоящей электронной измерительно-регистрационной аппаратуры, ее настройки и сложного монтажа электропроводной сети.
Наиболее близким по технической сущности является способ сварки взрывом, при котором с целью повышения качества сварного соединения путем дополнительного нагрева метаемой пластины и исключения дистанционных элементов предварительно метаемую пластину устанавливают в контакте с неподвижной пластиной, на которую воздействуют импульсным магнитным полем (авт. свидетельство №1503185, МКИ B23K 20/08, опубл. 27.05.99). Недостатками данного способа являются невысокая прочность и существенная деформация биметаллической заготовки из-за изменения детонационных характеристик взрывчатого вещества и пластических свойств свариваемых заготовок в результате воздействия на них высоких температур, а также склонности при нагревах ряда разнородных пар металлов к образованию хрупких интерметаллидных прослоек и оплавов, резко снижающих прочность соединения. Кроме того, данный способ требует повышенного расхода взрывчатки, т.к. при сварке взрывом разнородных металлов с резко отличающимися физико-механическими свойствами (например, алюминий-сталь) для того, чтобы обеспечить требуемую пластическую сдвиговую деформацию более твердого металла свариваемой пары, необходимо увеличивать скорость соударения, а это, в свою очередь, потребует увеличения высоты заряда ВВ.
В связи с этим актуальной задачей является разработка нового способа комбинированной сварки взрывом, позволяющего изготавливать высококачественный и экономически выгодный биметалл из трудносвариваемых разнородных металлов, обеспечивая высокую прочность и стабильную структуру по всей площади соединения при минимальной деформации заготовок.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении изобретения, - увеличение прочности соединения и уменьшение деформации биметаллических заготовок, а также снижение расхода ВВ.
Поставленный технический результат достигается тем, что в способе комбинированной сварки взрывом, включающем установку метаемой пластины над неподвижной пластиной с зазором и инициирование расположенного на ней заряда взрывчатого вещества, одновременно с инициированием заряда к торцу неподвижной пластины подают ультразвуковые колебания в направлении, противоположном направлению детонации.
Причем ультразвуковые колебания подают с амплитудой не более трех высот волн, образующихся в сварном соединении.
В отличие от прототипа в заявляемом способе одновременно с инициированием заряда к торцу неподвижной пластины подают ультразвуковые колебания, что позволяет повысить прочность соединения за счет активации атомов, разрушения окисных пленок и сглаживания микронеровностей в поверхностном слое неподвижной пластины в результате ее предварительной ультразвуковой обработки, а также уменьшить деформацию биметаллической заготовки и минимизировать количество оплавленного металла в зоне соединения вследствие снижения высоты заряда ВВ, а следовательно, и уменьшения тепловложения и энергии, затрачиваемой на пластическую сдвиговую деформацию поверхностных слоев свариваемых металлов.
Подача ультразвуковых колебаний к торцу неподвижной пластины одновременно с инициированием заряда позволяет повысить прочность соединения за счет активации атомов, разрушения окисных пленок и сглаживания микронеровностей в поверхностном слое неподвижной пластины, способствуя тем самым сближению межатомного расстояния и увеличению площади физического контакта соединяемых поверхностей металлов непосредственно в процессе сварки.
Подача ультразвуковых колебаний к торцу неподвижной пластины в направлении, противоположном направлению детонации, позволяет повысить прочность соединения и уменьшить деформацию биметаллической заготовки за счет осуществления одновременно процесса сварки взрывом с ультразвуковой обработкой металла, обеспечивающей предварительную подготовку поверхности неподвижной пластины к физическому контакту с метаемой пластиной, а также уменьшения тепловложения и энергии, затрачиваемой на пластическую сдвиговую деформацию поверхностных слоев свариваемых металлов вследствие снижения высоты заряда ВВ. При подаче ультразвуковых колебаний в направлении детонации не будет происходить одновременно процесс сварки взрывом с ультразвуковой обработкой металла, т.к. после инициирования заряда ВВ и соударения метаемой пластины с неподвижной мгновенно разрушится пьезокерамический преобразователь с волноводом и передающим ультразвуковые колебания стержнем, а следовательно, физический контакт соединяемых металлов и непосредственно процесс сварки взрывом будут происходить без ультразвуковой обработки неподвижной пластины.
Подача ультразвуковых колебаний с амплитудой не более трех высот волн, образующихся в сварном соединении, позволяет наиболее эффективно подготовить к сварке поверхностный слой неподвижной пластины на ту небольшую глубину, достаточную для реализации максимальной сдвиговой пластической деформации металла, ответственной за образование высокопрочного сварного соединения. При подаче ультразвуковых колебаний с амплитудой более трех высот волн, образующихся в сварном соединении, эффективность ультразвуковой обработки поверхностного слоя снижается, т.к. в этом случае «ультразвуковое давление» будет меньше из-за увеличения глубины и площади обрабатываемого поверхностного слоя, в результате чего активация атомов будет недостаточной для полного разрушения поверхностных окисных пленок и сглаживания микронеровностей, а значит, не будет реализована необходимая максимальная сдвиговая пластическая деформация металла и прочность соединения существенно снизится.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема комбинированной сварки взрывом, в которой к торцу неподвижной пластины подают ультразвуковые колебания; на фиг.2 - микроструктура зоны соединения биметалла медь + алюминий, полученного по предлагаемому способу; на фиг.3 - микроструктура зоны соединения биметалла медь + алюминий, полученного по способу-прототипу.
Способ осуществляется следующим образом (фиг.1). Во взрывной камере (или на полигоне) на сформированное песчаное основание 1 укладывают неподвижную пластину 2 с предварительно приваренным к ее торцу передающим ультразвуковые колебания стержнем 3, соединенным через волновод 4 с пьезокерамическим преобразователем 5. С помощью магистральных проводов 6 преобразователь подключают к ультразвуковому генератору 7, удаленному на безопасное расстояние. Затем по углам песчаного основания вставляют опорные элементы 8, обеспечивающие требуемый зазор между метаемой и неподвижной пластинами. Далее на опорные элементы устанавливают метаемый лист 9 с приклеенным картонным контейнером 10, в который засыпают взрывчатое вещество 11 и вставляют электродетонатор 12. После сборки пакета монтируют электрическую цепь, подключая ее к взрывной машинке, а затем включают ультразвуковой генератор 7 и одновременно производят инициирование заряда ВВ, в результате процесс сварки взрывом осуществляется одновременно с ультразвуковой обработкой металла.
Пример исполнения
Предлагаемый способ комбинированной сварки взрывом опробовали при изготовлении биметалла медь + алюминий толщинами 2,5+5 мм. Сборку пакета производили во взрывной камере согласно схеме, приведенной на фиг.1, в которой одновременно с инициированием заряда к торцу неподвижной пластины подавали ультразвуковые колебания. При этом ультразвуковые колебания подавали в направлении, противоположном направлению детонации, с амплитудой не более трех высот волн, образующихся в сварном соединении. Полученные сваркой взрывом биметаллические заготовки медь + алюминий разрезались на образцы для проведения механических испытаний и металлографических исследований. Данные о влиянии условий инициирования заряда ВВ, направления подачи и амплитуды ультразвуковых колебаний на качество сваренного взрывом биметалла медь + алюминий приведены в табл.1.
Результаты проведенных исследований показали, что амплитуда ультразвуковых колебаний должна быть не более трех высот волн, образующихся в сварном соединении. Такая амплитуда ультразвуковых колебаний позволила получить самую высокую прочность соединения (80-88 МПа, табл.1, фиг.2) за счет эффективной подготовки к сварке поверхностного слоя неподвижной алюминиевой пластины путем активации атомов, разрушения окисных пленок и сглаживания микронеровностей. При подаче ультразвуковых колебаний более трех высот волн (табл.1) происходит снижение прочности соединения до 65-71 МПа из-за малой эффективности ультразвуковой обработки, т.к. в этом случае «ультразвуковое давление» будет меньше вследствие увеличения глубины, а значит, и площади обрабатываемого поверхностного слоя, в результате активация атомов будет недостаточной для полного разрушения поверхностных окисных пленок и сглаживания микронеровностей.
Сравнение качества сварки и экономической эффективности изготовления биметалла производили на примере сварки взрывом пары медь + алюминий, полученных по предлагаемому способу и способу-прототипу. Сравнительные данные механических испытаний, металлографических исследований и расхода ВВ сваренного биметалла медь + алюминий приведены в табл.2 и на фиг.2 и 3. Полученные результаты исследований показали, что способ комбинированной сварки взрывом по сравнению с прототипом позволил получить более высокую прочность соединения и значительно меньшую деформацию биметаллической заготовки при существенной экономии расхода ВВ. Так, биметалл медь + алюминий, полученный по предлагаемому способу, имел высокую прочность соединения 87 МПа, стабильную структуру с минимальным количеством оплавов и неметаллических включений 6%, максимальную относительную деформацию 0,16 при небольшом расходе ВВ, равном 0,9 кг (табл.2, фиг.2); биметалл медь + алюминий, полученный по способу-прототипу, имел меньшую прочность соединения 56 МПа, нестабильную структуру с большим количеством оплавов и неметаллических включений 25%, значительную максимальную относительную деформацию 0,30 при повышенном расходе ВВ - более чем на 30% (табл.2, фиг.3).