СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЛИСТОВ СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ
METHOD OF PRODUCING LARGE-SIZE BIMETAL SHEETS BY EXPLOSION WELDING

Изобретение относится к области сварки взрывом и может быть использовано при изготовлении на открытом полигоне крупногабаритных биметаллических листов или заготовок коррозионно-стойкого биметалла (сталь - титан, сталь - латунь, сталь - алюминий, малоуглеродистая низколегированная сталь - коррозионно-стойкая сталь и др.) для химической, атомной и нефтегазовой отраслей промышленности.
Известен способ плакирования взрывом, при котором для повышения качества сварки длинномерных биметаллических пластин используется комбинированный заряд, состоящий из чередующихся, имеющих форму трапеции или прямоугольников слоев взрывчатого вещества (ВВ) с существенно отличными скоростями детонации (патент Франции №2004500, МПК В23Р 3/00, опубл. 09.01.70). Недостатками данного способа являются нестабильность структуры и свойств зоны соединения по мере удаления от точки инициирования, обусловленная изменениями скорости детонации, невысокая производительность, связанная с усложнением монтажа комбинированного заряда ВВ, а также необходимость увеличения расхода взрывчатых материалов.
Известен способ получения биметалла, при котором для стабилизации процесса детонации ВВ (а следовательно, и повышения качества соединения) в пределах всей площади сварки, заряд ВВ с помощью перегородок разделяют на ячейки, имеющие кубическую форму (авт. свидетельство №193900, МПК В23К 19/00, опубл. 13.03.67). Недостатками данного способа являются невысокая прочность соединения и существенная деформация (вплоть до появления прожогов), реализующиеся вследствие происходящей в окрестностях продольных перегородок встречи двух детонационных волн, приводящей к резкому скачку давления и изменению параметров соударения свариваемых пластин в сторону значительного увеличения. Также при плакировании тонкими и пластичными металлами, например алюминием, высота заряда и соответственно размеры ячеек выбираются как можно меньшими (меньше 10 мм), в результате чего в углах ячейки образуются незаполненные зарядом пустоты, что приводит к изменению скорости детонации, отклонению реальных параметров соударения от оптимальных проектных, а в конечном итоге, к снижению и нестабильности прочностных свойств сварного соединения. Кроме того, использование подобного взрывного устройства для плакирования крупногабаритных пластин неразрывно связано с сокращением производительности, поскольку существенно возрастает трудоемкость монтажа заряда ВВ вследствие сборки большого количества ячеек.
Известен способ получения крупногабаритных биметаллических листов сваркой взрывом, при котором для снижения расхода ВВ и повышения качества сварки на плакирующем листе раскладывают слой заряда ВВ с системой инициирования, после чего на него раскладывают первый слой сыпучего материала и над ним второй слой сыпучего материала или слой воды через воздушный зазор (патент РФ №2237558, МПК B23K 20/08, F42D 5/045, опубл. 10.10.2004). Недостатком данного способа является высокая трудоемкость монтажа заряда и последующих слоев сыпучего материала, что, в конечном итоге, существенно снижает производительность изготовления сваркой взрывом биметаллических пластин (особенно крупногабаритных).
Известен способ изготовления плоских биметаллических листов путем сварки взрывом, при котором на плакирующем листе располагают заряд взрывчатого вещества различной толщины, величина которой определяется условием постоянства деформирующего импульса в зоне соударения по всей поверхности плакируемого листа в процессе сварки взрывом (патент РФ №2343054, МПК B23K 20/08, опубл. 10.01.2009). Недостатком данного способа является низкая производительность, обусловленная высокой трудоемкостью монтажа сложной конструкции заряда ВВ, состоящей из последовательных, имеющих плавные переходы (для устранения резких перепадов толщин ВВ и, как следствие, неравномерного распределения деформирующих импульсов) слоев различной ширины и толщины.
Известен способ сварки взрывом, в котором для стабилизации структуры и свойств сварного соединения по длине биметаллических заготовок высота заряда понижается от начала к концу сварки на 1/3 от первоначального значения (патент Англии №1303522, МПК В23Р 3/09, опубл. 17.01.73). Недостатком этого способа является то, что при нанесении тонких плакирующих слоев, когда необходимо выбирать высоту заряда минимально возможной, в конечной части свариваемых заготовок заряд ВВ детонирует частично вплоть до полного затухания процесса, приводя, в конечном итоге, к неизбежному появлению непроваров и сплошных расслоений биметалла. Кроме того, при плакировании взрывом крупногабаритных заготовок монтаж контейнеров для ВВ с монотонно убывающей высотой стенки и последующий контроль обеспечения проектной высоты заряда в выбранных сечениях сопряжен с существенным снижением производительности процесса.
Наиболее близким по технической сущности является способ получения неразъемных соединений сваркой взрывом с использованием выполненного из инертного материала промежуточного элемента клинообразной формы, помещаемого между зарядом взрывчатого вещества и метаемой пластиной (патент РФ №2185942, МПК B23K 20/08, опубл. 27.07.2002). Основным недостатком данного способа является отсутствие возможности регулирования скорости детонации, что, в свою очередь, не позволяет стабилизировать скорость и угол соударения, возрастающие по мере удаления от начала сварки, вследствие трансформирующего параллельную схему сварки в угловую нарушения геометрии взаимного расположения длинномерных заготовок перед фронтом детонации (Оценка вертикального перемещения метаемых металлических пластин перед точкой контакта при сварке взрывом / Т.Ш.Сильченко, С.В.Кузьмин, В.И.Лысак, А.С.Горобцов, Ю.Г.Долгий // Автоматическая сварка. - 2008. - №4. - С.26-29). Кроме того, при плакировании взрывом крупногабаритных пластин установка на поверхность выполненного из инертного материала промежуточного клинообразного элемента контейнера для ВВ сопряжена с существенным увеличением трудоемкости монтажа последнего и усложнением контроля высоты ВВ, а следовательно, приводит к снижению производительности процесса.
В связи с этим весьма актуальной задачей является разработка способа сварки взрывом, позволяющего изготавливать высококачественный и экономически выгодный крупногабаритный коррозионно-стойкий биметалл, обеспечивая наивысшую стабильность структуры и свойств зоны соединения в пределах всей площади сварки, а также существенное увеличение производительности процесса плакирования, приводя, в конечном итоге, к росту рентабельности производства крупнотоннажных партий биметалла.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении изобретения, - обеспечение постоянства параметров волнового профиля и минимизация количества оплавленного металла в зоне соединения, увеличение и стабилизация прочности на отрыв слоев, в пределах всей площади сварки плакированных взрывом крупногабаритных коррозионно-стойких биметаллических заготовок, а также производительности изготовления последних.
Поставленный технический результат достигается тем, что в способе получения крупногабаритных биметаллических листов используют промежуточный элемент из инертного материала, помещаемый между зарядом взрывчатого вещества (ВВ) и метаемой пластиной, промежуточному элементу задают клинообразную форму, отношение его удельной массы к удельной массе метаемой пластины находится в пределах 0,009-0,6, промежуточный элемент устанавливают внутрь контейнера для ВВ, имеющего постоянную высоту стенки, обеспечивая линейное снижение высоты накладного заряда ВВ по длине метаемой пластины, а величину угла промежуточного элемента, определяющую размер его меньшего катета, задают из условия реализации в конце метаемой пластины высоты заряда, составляющей 3/4 от исходного значения. При этом длина промежуточного клинообразного элемента может выбираться меньше длины метаемой пластины на величину, не превышающую 10 высот заряда ВВ и не более 1/3 длины метаемой пластины, для сохранения на начальном участке исходной высоты заряда.
c
В отличие от прототипа в заявляемом способе промежуточный, выполненный из инертного материала клинообразный элемент устанавливают внутрь имеющего постоянную высоту стенки Н контейнера для ВВ, смонтированного на поверхности метаемой пластины, а величину угла промежуточного элемента, определяющую размер его меньшего катета, задают из условия реализации линейного снижения по длине метаемой пластины высоты ВВ от первоначального (проектного) значения Н до 3/4H соответственно в начале и конце метаемой пластины, что позволяет, во-первых, повысить на всей площади сварки стабильность структуры зоны соединения и прочность на отрыв слоев биметалла, за счет поддержания на постоянном уровне проектной величины динамического угла соударения γ (а следовательно, и скорости соударения V, изменяющейся вследствие нарушения геометрии взаимного расположения свариваемых заготовок перед фронтом детонации, происходящего вертикальных перемещений вверх сечений метаемого листа под непродетонировавшим зарядом ВВ), а во-вторых, значительно увеличить производительность процесса, за счет снижения трудоемкости монтажа контейнера для ВВ и упрощения контроля высоты ВВ после засыпки и выравнивания.
Для определения оптимальной величины снижения высоты заряда в конце метаемой пластины были проведены серии экспериментов, сущность которых заключалась в следующем. На режимах, обеспечивающих получение развитого волнового профиля в зоне соединения, сваривали длинномерные биметаллические образцы размерами (2+20)×500×4200 мм из разнородных металлов (сталь - титан, сталь - латунь, сталь - алюминий, малоуглеродистая низколегированная сталь - коррозионно-стойкая сталь), после чего в различных сечениях сваренной заготовки при помощи микроскопа измеряли параметры волн λ, 2а и количество оплавленного металла К. На следующем этапе, полагая, что рост параметров волнового профиля обусловлен изменением (возрастанием) сварочного зазора перед фронтом детонации (вследствие вертикальных перемещений сечений метаемой пластины перед фронтом детонации под непродетонировавшим зарядом ВВ), зная в каждом сечении значение длины волны λ и используя зависимость последней от угла соударения и толщины метаемой пластины (Кудинов, В.М. Сварка взрывом в металлургии / В.М.Кудинов, А.Я.Коротеев. - М.: Металлургия, 1978. - С.22), рассчитывали величину динамического угла соударения
c
c
С использованием программного модуля по расчету режимов сварки взрывом (Саломатин, И.А. Разработка экспертной системы по проектированию технологических процессов сварки взрывом многослойных металлических композиционных материалов: дис. … канд. техн. наук / И.А.Саломатин; Волгоград: ВолгГТУ. - 2002. - 156 с.) в зависимости от реализуемых в различных сечениях сварной заготовки значений γ, параметры сварки корректировали путем соответствующего изменения (снижения) высоты ВВ с целью поддержания на постоянном уровне проектной величины динамического угла соударения, а следовательно, и скорости соударения V. В результате были определены нелинейные функции изменения (убывания) высоты Н заряда ВВ по длине метаемой пластины, которые для упрощения линеаризовали. При этом было установлено, что для обеспечения стабильности величины динамического угла соударения γ, а следовательно, скорости соударения V и конечных свойств сварного соединения достаточно, чтобы высота Н накладного заряда ВВ линейно убывала по длине метаемой пластины, составляя в конце последней 3/4 от исходного (проектного) значения, но не менее критического, гарантирующего получение качественной сварки. Снижение высоты заряда в конце метаемой пластины до величины, большей 3/4 от первоначального проектного значения, приводит к увеличению параметров волнового профиля и количества оплавленного металла по мере удаления от начала сварки, в результате чего прочность соединения по длине сваренной взрывом биметаллической заготовки существенно снижается. Уменьшение высоты заряда в конце метаемой пластины до величины, меньшей 3/4 от первоначального проектного значения, может привести к существенному изменению параметров высокоскоростного соударения, обусловленному значительным снижением скорости детонации (вплоть до полного затухания процесса), в результате чего на конечном участке плакированной взрывом крупногабаритной пластины происходит падение прочности соединения и образование непроваров.
Кроме того, в результате экспериментальных исследований нестабильности структуры зоны соединения по длине биметаллических пластин, сваренных взрывом с использованием заряда ВВ, имеющего постоянную высоту в пределах всей площади сварки, было достоверно установлено, что на начальном участке сварки протяженностью, не более 10 исходных (проектных) высот заряда ВВ, величина угла соударения γ изменяется незначительно, не превышая уровень погрешности измерений. Таким образом, длина промежуточного клинообразного элемента может выбираться меньшей, чем длина метаемой пластины на величину, не превышающую 10 исходных высот заряда ВВ, и тогда на начальном участке сварки высота заряда будет постоянна, а затем начнет линейно убывать по длине метаемой пластины, составляя в конце последней 3/4 от исходной (проектной) величины. Сохранение постоянства высоты заряда ВВ на начальном участке протяженностью более чем 10 исходных (проектных) высот заряда ВВ приводит к нестабильности структуры зоны сварки и падению прочностных характеристик сварного соединения. Если же расстояние, соответствующее десяти исходным (проектным) высотам заряда ВВ, превышает 1/3 длины метаемой пластины уменьшать длину клинообразного не следует, поскольку в этом случае выдержка проектной высоты заряда на начальном участке (соизмеримом с 1/3 длины плакирующего листа), также приводит к нестабильности структуры зоны сварки и падению прочностных характеристик сварного соединения.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема сварки взрывом длинномерных металлических пластин, в которой между метаемым листом и ВВ находится клинообразный промежуточный элемент, обеспечивающий снижение высоты заряда по длине метаемой пластины. На фиг.2 изображена схема сварки взрывом длинномерных металлических пластин, где длина промежуточного клинообразного элемента меньше длины метаемой пластины на величину, не превышающую 10 высот заряда ВВ, но не более 1/3 длины метаемой пластины и высота заряда ВВ не изменяется на начальном участке, после чего линейно убывает по длине метаемой пластины. На фиг.3 представлена схема вырезки из сваренного взрывом биметаллического листа образцов для металлографических исследований макроструктуры зоны соединения и оценки прочности на отрыв слоев на различном удалении от начала сварки. На фиг.4 и фиг.5 приведены фотографии макроструктур зон соединения, находящихся на различных удалениях от начала сварки биметаллических листов, изготовленных по заявляемому способу.
Способ осуществляется следующим образом (фиг.1). На полигоне на предварительно сформированное песчаное основание 7 укладывают плакируемую металлическую пластину 2 и на подготовленную под сварку поверхность в количестве, определяемом площадью сварки, выставляют фиксаторы сварочного зазора 3 высотой h. Затем устанавливают плакирующий лист 4, на его внешней поверхности по периметру монтируют имеющий постоянную (проектную) высоту стенки Н (выполненный из картона, ДВП или фанеры) контейнер для ВВ 5, внутрь которого укладывают промежуточный, выполненный из инертного материала (поролон, пенопласт) клинообразный элемент 6, длина и ширина которого соответствуют длине и ширине плакирующего листа, а высота (длина меньшего катета) составляет 1/4 высоты контейнера Н, обеспечивая, тем самым, по длине метаемой пластины линейное снижение высоты ВВ от исходного (проектного) значения Н до 3/4 Н соответственно в начале и конце метаемого листа. Если величина, соответствующая 10 исходным (проектным) высотам заряда ВВ Н, не превышает 1/3 длины метаемого листа L (т.е. 10H≤1/3L), длина промежуточного клинообразного элемента может быть меньше длины метаемой пластины на величину, не превышающую 10 исходных высот заряда ВВ, для сохранения на начальном участке исходной (проектной) высоты заряда Н (фиг.2). После установки промежуточного элемента засыпают и выравнивают взрывчатое вещество 7, выполняют контроль высоты заряда в пределах всей площади, после чего вставляют электродетонатор 8. По окончании сборки схемы монтируют электрическую цепь и посредством взрывной машинки производят инициирование заряда ВВ, т.е. осуществляют сварку взрывом плоской биметаллической заготовки.
z
Пример 1. Предлагаемый способ опробовали при изготовлении биметалла низколегированная сталь - коррозионно-стойкая сталь путем соединения сваркой взрывом основного листа из стали 09Г2С размерами 5100×1400×34 мм с листом стали 08Х18Н10Т 5250×1500×3 мм. Предварительно до сварки взрывом поверхности свариваемых пластин зачищали до металлического блеска с обеспечением шероховатости, не превышающей R40. На полигоне производили сборку пакета (фиг.1) в следующей последовательности. Неподвижную пластину из стали 09Г2С укладывали на песчаное основание, после чего с обеспечением сварочного зазора h=5 мм устанавливали метаемый лист из стали 08Х18Н10Т. На поверхности метаемого листа монтировали изготовленный из картона контейнер с постоянной высотой стенки Н=36 мм, внутрь которого помещали выполненный из пенопласта клинообразный элемент, длина и ширина которого соответствовали длине и ширине метаемого листа, а высота (длина меньшего катета) составляла 9 мм, обеспечивая тем самым линейное снижение высоты ВВ в конце метаемой пластины до 27 мм, т.е. 3/4 от исходного (проектного) значения, равного высоте картонной стенки контейнера. Затем засыпали ВВ, в качестве которого использовали смесь аммонита 6ЖВ с кварцевым песком в объемном соотношении 2:1 соответственно, производили выравнивание поверхности ВВ по всей площади сварки, контролировали высоту последнего, после чего устанавливали электродетонатор и производили инициирование заряда ВВ (осуществляли сварку взрывом).
В результате плакирования получили лист биметалла 08Х18Н10Т+09Г2С со 100% сплошностью сварки. Для металлографических исследований параметров волнового профиля и оценки прочностных характеристик зоны соединения из центральной части сваренного взрывом крупногабаритного биметаллического листа механическими способами вырезали образцы размерами 30×30×37 мм согласно схеме, приведенной на фиг.3. Результаты металлографических исследований макроструктуры зоны соединения и оценки прочности на отрыв слоев на различных удалениях от начала сварки приведены на фиг.4 и в таблице соответственно.
Таблица
Сравнительные данные механических испытаний, металлографических исследований и оценки производительности изготовления крупногабаритных биметаллических плоских заготовок коррозионно-стойкого биметалла
Способ сварки взрывом
Заявляемый
Прототип
пример 1
пример 2
Материалы свариваемых пластин
<img file="00000002.tif" he="10" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="10" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000004.tif" he="10" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000005.tif" he="11" wi="29" img-content="undefined" img-format="tif" />
Размеры свариваемых листов, мм
<img file="00000006.tif" he="10" wi="37" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000007.tif" he="10" wi="37" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000008.tif" he="10" wi="37" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000009.tif" he="11" wi="29" img-content="undefined" img-format="tif" />
Длина промежуточного элемента, мм
5250
4890
5250
Угол промежуточного элемента, определяющий размер меньшего катета, град
0,098
0,105
0,098
Высота заряда ВВ, ммИсходная Н → Конечная
36→27(Высота заряда линейно снижается по всей длине метаемого листа, составляя в конце последнего 3/4 от первоначального значения)
36→27(На начальном участке протяженностью 360 мм не изменяется, после чего линейно снижается по длине метаемого листа, составляя в конце последнего 3/4 от первоначального значения)
36→36(Высота заряда по длине метаемой пластины не изменяется)
Результаты испытаний прочности на отрыв слоев С σ<sub>отр</sub> на различных удалениях l от начала сварки, МПа
Образец №1l<sub>1</sub>=320 мм
451
443
448
Образец №2l<sub>2</sub>=2540 мм
412
459
257
Образец №3l<sub>3</sub>=5000 мм
426
437
118
Результаты металлографических исследований макроструктур на различных удалениях l от начала сварки
Стабильные размеры волн, отсутствие участков оплавленного металла (см. фиг.4)
Стабильные размеры волн, отсутствие участков оплавленного металла (см. фиг.5)
Существенное (более чем в три раза) увеличение параметров волн, на образце №3 количество оплавленного металла К=72%
Трудоемкость изготовления одного листа (без учета времени идентичной для всех способов операции монтажа электрической цепи), мин
20
22
57
Пример 2. То же, что и в примере 1, но внесены следующее изменения. Длина клинообразного промежуточного элемента меньше длины метаемого листа (фиг.2) на 360 мм, что соответствовало десяти исходным (проектным) величинам высоты накладного заряда ВВ Н=36 мм.
Результаты металлографических исследований макроструктуры зоны соединения и оценки прочности на отрыв слоев на различных удалениях от начала сварки приведены на фиг.6 и в таблице соответственно.
Таким образом, исследования коррозионно-стойкого биметалла, изготовленного по заявляемому способу, показали, что по показателям прочности соединения слоев и производительности он превосходит известные аналоги, за счет соответственно: стабилизации параметров волнового профиля, достигаемой стабилизацией угла и скорости соударения; наличия промежуточного клинообразного элемента, предохраняющего метаемый лист от бризантного действия ВВ и обеспечивающего снижение высоты последнего; упрощения монтажа и последующего контроля накладного заряда ВВ.