СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СМЕСЕВОГО ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА ДЛЯ СВАРКИ ВЗРЫВОМ И СМЕСЕВОЕ ВЗРЫВЧАТОЕ ВЕЩЕСТВО
METHOD TO MANUFACTURE COMPOSITE EXPLOSIVE FOR EXPLOSION WELDING AND COMPOSITE EXPLOSIVE

Предлагаемое изобретение относится к области производства взрывчатых веществ (ВВ), а именно к производству смесевых взрывчатых веществ, используемых для сварки взрывом мелких деталей и тонкопленочных элементов конструкций.
Известно смесевое взрывчатое вещество (патент РФ №023845551, МПК C06B 23/00, публ. 20.03.2010 г.) на основе порошкообразного высокобризантного ВВ, содержащее взрывчатый компонент ТЭН, или октоген, или гексоген, и наполнителя в виде инертного невзрывчатого компонента, в качестве которого содержится неорганическое соединение в виде бикарбоната, при соотношении ингредиентов, % масс.: ВВ - 30-70, наполнитель - остальное, и способ его изготовления, включающий подготовку и смешение компонентов взрывчатого вещества и формирование заряда из него.
К недостаткам аналога относится отсутствие возможности осуществить сварку взрывом с его использованием для соединения тонкопленочных элементов (толщина привариваемой пленки не превышает 1-10 мкм) сборочных конструкций без деформирования и повреждения их целостности.
Задачей авторов предлагаемого изобретения является разработка состава смесевого ВВ для реализации сварки взрывом для соединения тонкопленочных элементов сборочных конструкций без деформирования и повреждения их целостности и способа изготовления смесевого ВВ, характеризующегося сравнительно невысокими показателями бризантности, фугасностью и величиной критического диаметра, скоростью детонации, достаточной для обеспечения качественной и точной сварки взрывом тонкопленочных элементов.
Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого изобретения (способа), заключается в обеспечении возможности проведения сварки взрывом тонкопленочных элементов (толщина привариваемой пленки не превышает 1-10 мкм) сборочных конструкций без деформирования и повреждений за счет обеспечения минимизации критического слоя детонации ВВ до ~1,5 мм и повышения качества и точности сварного шва.
Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в известном способе изготовления смесевого взрывчатого вещества для сварки взрывом, включающем подготовку и смешение компонентов взрывчатого вещества, согласно предлагаемому изобретению перед смешением производят перекристаллизацию взрывчатого компонента с получением нанодисперсного порошка из органического растворителя в виде соединений из группы диметилформамида, диметилсульфида или ацетона в воду, стабилизацию полученной дисперсии в воде при повышенной температуре не более 100°C с последующим испарением органического растворителя и сушкой осадка, который затем перемешивают с инертным наполнителем и формируют смесевое взрывчатое вещество.
Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого изобретения (взрывчатого состава), заключается в обеспечении возможности проведения сварки взрывом тонкопленочных элементов (толщина привариваемой пленки не превышает 1-10 мкм) сборочных конструкций без деформирования и повреждений за счет обеспечения минимизации критического слоя детонации ВВ до ~1,5 мм и повышения стабильности процесса сварки.
-6
-8
Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в известном смесевом взрывчатом веществе, содержащем взрывчатый компонент, порошкообразный инертный наполнитель в виде бикарбоната натрия, при соотношении ингредиентов, % масс.: ВВ - 30-70, наполнитель - остальное, согласно изобретению в качестве взрывчатого компонента содержится или ТЭН, или октоген, или гексоген в виде предварительно преобразованного до нанодисперсного состояния порошка с размером частиц не более 10-10 м.
Предлагаемый способ и смесевое ВВ поясняются следующим образом.
Первоначально проводят подготовку компонентов ВВ, для чего навеску мелкодисперсного ВВ растворяют в органическом растворителе заданной концентрации, режимы и концентрации процесса подбираются для каждого опыта индивидуально в зависимости от условий последующего процесса сварки тонких пленок.
Затем проводят перекристаллизацию взрывчатого компонента с получением нанодисперсного порошка из органического растворителя на основе соединений группы диметилформамида, диметилсульфоксида или ацетона в воду и стабилизацию полученной дисперсии в воде при повышенной температуре не более 100°C. Далее проводят испарение органического растворителя с последующей сушкой осадка. Высушенный нанодисперсный порошок ВВ перемешивают с инертным наполнителем и формируют смесевое ВВ. Испытания по осуществлению процесса сварки тонких пленок проводят с использованием опытной сборки.
На фиг.1 представлен вид опытной сборки, в которой применено предлагаемое BB. На жесткое основание (1) устанавливается металлическая пластина (2), к которой необходимо приваривать взрывом металлическую фольгу (3). Фольга размещается параллельно пластине на базе 1-2 мм. Фольга плотно без зазаоров и воздушных включений примыкает к дну контейнера (4) из плотной бумаги (толщина стенок 100 -200 мкм). В контейнер равномерно засыпается исходное смесевое ВВ (5). Излишки смесевого ВВ удаляют выравниванием горизонтальной линии относительно бортов контейнера. Предварительно в контейнер устанавливается инициатор детонационной волны (6) в смесевое BB.
Экспериментально показано, что для приваривания тонких металлических листов или фольг к другому металлу необходим их устойчивый полет до соударения. Однако использование ВВ с большой скоростью детонации или большой толщины образца ВВ приводит к нарушению стационарности метания тонкого листа. Лист теряет устойчивость, приобретает волнообразный профиль. Одни его участки отстают в полете, другие опережают. При соударении пластины, летящей с ярко выраженной разнодинамичностью, с неподвижной пластиной сварка взрывом не реализуется. Более того, фольга из малопрочного металла может порваться в полете. Поэтому для реализации сварки взрывом тонких листов и фольг требуется использование ВВ с малой скоростью детонации (D≈2 мм/мкс) в тонких слоях образца (h≤10 мм). Дальнейшее уменьшение толщины слоя ВВ достигается при использовании его в нанодисперсном состоянии.
к
Также экспериментальным путем установлено: оптимальным режимом сварки взрывом является режим с первоначально параллельным расположением листов (пластин, образцов). В данном случае скорость смыкания зазора между пластинами, т.н. скорость точки контакта υ=D (скорость смыкания или скорости перемещения точки контакта равна скорости детонации). В эксперименте показано, что при D≈2 мм/мкс реализуется сварка взрывом практически для всех существующих металлов и сплавов. Причем сварной шов приобретает оптимальную линейную (безволновую) форму. При скоростях D>2 мм/мкс (но в дозвуковом режиме косого соударения пластин) реализуется сварное соединение, имеющее волнообразный вид. Такая форма сварного шва специфична тем, что в точках, близких к гребню волны линии шва, возможно возникновение интерметаллических соединений, следствием чего возможно охрупчивание в таких зонах и некачественного соединения в целом.
Бикарбонат натрия (сода) - как это показано экспериментально, функционально проявляет себя как флегматизатор. Экспериментально установлено, что при содержании этого компонента в ВВ реализуются следующие величины скорости детонации:
при содержании 70% об.- скорость детонации 2 км/сек;
при 50% об. - скорость детонации 4 км/сек;
при 30% об. - скорость детонации 6 км/сек;
при содержании соды менее 30 об.% - не реализуется процесс сварки, из-за достаточно высокой скорости детонации процесс сварки выходит в режим развития высоких скоростей (переход в сверхзвуковой режим, когда сварка взрывом невозможна).
При малых количествах гексогена (ТЭНа, октогена) в взрывчатом веществе недостаточно энергии соударения соединяемых фрагментов, чтобы перевести область контакта в пластическое (расплавленное) состояние.
При малых количествах нанодисперсного гексогена (ТЭНа, октогена) во взрывчатом веществе недостаточно энергии соударения соединяемых фрагментов, чтобы перевести область контакта в пластическое (расплавленное) состояние.
При низких значениях ВВ (~30%) объем газовыделения соды и энергии взрыва гексогена (ТЭНа, октогена) не позволяет достигнуть скорости метания пластин, приемлемой для процесса сварки тонколистовых деталей. При более 70% содержании ВВ развиваются более высокие скорости полета пластины, чем это достаточно для указанного типа сварки. Изобретательский уровень в этом случае достигается экспериментальным подбором количественных соотношений компонентов смесевого ВВ, когда энергетические свойства высокобризантного компонента ВВ компенсируются газовыделяющей функцией соды, выступающей в роли дополнительного компрессионного агента (флегматизатора), что теоретически трудно было бы предположить.
Наличие газообразных продуктов при использовании в составе ВВ именно в заявляемых пределах соотношений бикарбоната натрия (соды): гексогена (ТЭНА, октогена), определенных экспериментально, образующихся при разложении невзрывчатого компонента, способствует удлинению времени контакта соединяемых фрагментов и препятствует значительному (сверх необходимой величины) развитию бризантности. Кроме того, наличие газов обеспечивает продолжительное воздействие газообразных продуктов на плоскость контакта свариваемых фрагментов деталей, что позволяет достичь перехода контактной границы свариваемых деталей в пластическое состояние в течение времени контакта и реализоваться более качественному сварному соединению.
Это способствует также плавному снижению показателя метательной способности, свойственной высокобризантным ВВ, и фугасности состава.
Метательная способность сохраняется на уровне прототипа, критический диаметр понижен (критический диаметр при плотности 1,7-3 г/см - 19-24 мм у прототипа, у заявляемого ВВ - критический диаметр менее 10 мм), бризантность качественно ниже (о чем свидетельствует состояние малодеформированных деталей после взрыва), чем в прототипе.
-6
-8
Преобразование порошкообразных ВВ до наноразмерного состояния (порошок с размером частиц не более 10-10 м) способствует еще большей минимизации слоя ВВ, способного к устойчивой детонации и достаточного для сварки тонких пленок, а следовательно, и уменьшению критического слоя детонации до ~1,5 мм.
В эксперименте опробованы нанодисперсные взрывчатые составы (НДВС) с диаметром компонент ~1 мкм (в прототипе - 20 мкм) и получены следующие характеристики: толщина критического слоя детонации - 1,5 мм, что, по-видимому, достигнуто за счет принципиального изменения режима процесса возбуждения детонации, что вызвано практическим отсутствием пор в массе нанодисперсного ВВ, возбуждение детонации происходит от ударной волны. В прототипе такой вид детонации проблематичен из-за наличия пустот между более крупными частицами мелкодисперсного порошка.
Использование предлагаемого изобретения позволит осуществлять приваривание взрывом сверхтонких пленок к к внутренним поверхностям труб, что обеспечит их работоспособность в экстремальных условиях (транспортировка агрессивных и токсичных сред) и существенно повысит экономический эффект при использовании, например, трубопроводов из стали, традиционно применяемых в газовой промышленности.
Таким образом, использование предлагаемого нанодисперсного ВВ в процессе сварки взрывом металлических деталей обеспечивает проведение качественной сварки взрывом тонкопленочных изделий или фольг за счет снижения показателей бризантности, фугасности, величины критического диаметра при детонации ВВ по сравнению с прототипом.
Возможность промышленной реализации предлагаемого смесевого взрывчатого вещества подтверждается следующими примерами.
Пример 1. В лабораторных условиях химическим методом получали микросоставы ВВ с заданным значением удельной поверхности (размером кристаллов) путем перекристаллизации *высадки) из ацетонового раствора в воду (или раствора другого органического соединения, например, диметилформамида, диметилсульфида) и стабилизации полученного микросостава в воде при повышенной температуре (Т≈100°C) в течение заданного времени (несколько часов).
Экспериментально подбирают и оптимизируют следующие параметры: концентрация раствора, модуль разбавления, темп слива, время слива, скорость вращения мешалки и осадителя в стабилизаторе.
Варьируется температура сушки.
Процесс изготовления смесевого ВВ включает следующие этапы:
- растворение красителя органического родамина (Ж) 6Ж в воде с соединением по массе ~1:1000, фильтрование раствора;
- окрашивание кристаллов ВВ путем внесения в расчетное количество порошкового ВВ раствора родамина Ж(6Ж) в воде, тщательное перемешивание;
- фильтрация суспензии окрашенного ВВ для визуализации процесса смешения (контроль степени смешения и исключения «комочков»);
- сушка в термостате слоя окрашенного ВВ толщиной <10 мм при температуре (90±%)°C не менее 1 часа, охлаждение в эксикаторе, контроль удельной поверхности (S уд.);
- взятие навески бикарбоната натрия, сушка в термостате слоя толщиной <10 мм при температуре (90±%)°C не менее 1 часа, охлаждение в эксикаторе;
- измельчение навески бикарбоната натрия до полного исчезновения «комочков», визуальный осмотр и контроль удельной поверхности (S уд.);
- механическое перемешивание порошкового ВВ и бикарбоната натрия до получения однородного состава;
- сушка в термостате слоя смесевого ВВ толщиной <10 мм при температуре (90±%)°C не менее 2 часов.
Затем производилась механическая сборка свариваемого узла (опытная сборка) со слоем полученного состава смесевого ВВ (фиг.1).
Предварительно выполняются экспериментальные измерения зависимости скорости детонации D от толщины слоя насыпного ВВ.
На фиг.2 приведена такая зависимость дл смесевых ВВ состава 35/65% весовых (ВВ - наполнитель): ТС (ТЭН-сода); ГС (гексоген - сода); ОС (октоген - сода).
На фиг.3 приведена такая зависимость дл смесевых ВВ той же концентрации, но с частицами наноразмера.
На массивном основании устанавливается пластина (объект, образец, предназначенный для приваривания к нему фольги, фольга). Над ней параллельно ее поверхности располагается метаемая (привариваемая) фольга толщиной ≤0,05 мм. Расстояние между пластинами (база полета ударника) составляет 0,5 мм ≤h≤1 мм и устанавливается при помощи стоек соответствующей конструкции. Метаемая фольга внешней поверхностью плотно, без воздушных включений, присоединяется к дну фиксирующего контейнера для смесевого ВВ (прямоугольная коробка из плотного картона).
Смесевое ВВ засыпается в контейнер. Порошок (смесевое ВВ) выравнивается по горизонтали относительно бортов контейнера. Инициирование осуществляется дополнительным зарядом ВВ либо по торцу (слоем пластического ВВ на основе мелкодисперсного ТЭНа, толщиной 1,5 мм), либо в одной точке (цилиндрическим зарядом пластического ВВ ⌀2 мм и высотой, равной толщине слоя смесевого ВВ).
к
кр
После детонации смесевого ВВ в скользящем режиме продукты взрыва (ПВ) разгоняют и разворачивают метаемую фольгу. Осуществляется соударение образцов под углом. При этом реализуются необходимые условия для сварки взрывом (скорость перемещения точки контакта метаемой пластины по поверхности неподвижной υ≈км/с; угол соударения пластин γ≈15°, критический диаметр детонации d≈2 мм), что позволяет оптимизировать режим сварки взрывом именно деталей из фольг.
к
Для контроля сварного соединения пластины (после опыта) разрезались (вдоль направления вектора υ).
В таблице 1 приведены результаты трех опытов с наноразмерным смесевым ВВ (ТС, ГС, ОС) и сравнение их с прототипом (смесевое ВВ ТС с размером кристаллов 20 мкм).
Таблица 1.
Примеры реализации
Величина критического диаметра, мм
Скорость детонации, км/с
Толщина ВВ (навеска) мм
Толщина соединяемых тонкопленочных элементов, мкм
Качество сварного шва
Прототип
6
2
6
100
Локальные микроискривления, наблюдаемые визуально
Пример 1
1,5
2
2
5
Отсутствие локальных дефектов
Пример 2
1,5
2
2
5
Отсутствие локальных дефектов
Пример 3
1,5
2
2
5
Отсутствие локальных дефектов