УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ВЗРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к области сварки взрывом и может быть использована при изготовлении преимущественно трудносвариваемых разнородных материалов и высокопрочных сплавов, переходников и контактных элементов с использованием энергии продуктов детонации и ультразвуковых колебаний для электротехники, электрометаллургии, машиностроения и судостроения.
Известна конструкция ультразвукового пьезокерамического преобразователя (полезная модель к патенту РФ №73619, МПК B06B 1/06, опубл. 27.05.2008. Бюл. №15) содержащего набор пьезокерамических пластин с электрическими выводами для подключения к генератору, переднюю и тыльную накладки, соединенные с торцевыми поверхностями пьезокерамических пластин, и стянутые между собой резьбовым соединением, причем пьезокерамические пластины закрыты дополнительным корпусом. Недостатком данной конструкции является отсутствие надежности вследствие значительной деформации и разрушения передней и тыльной накладок под воздействием взрывного нагружения из-за отсутствия в этих местах защитного металлического корпуса.
Известно устройство для ультразвуковой обработки материалов (патент РФ №2282525, МПК В23K 20/10, опубл. 27.08.2006. Бюл. №24), содержащее акустическую систему, включающую излучатель ультразвука с рабочим наконечником на торце, магнитострикционный преобразователь и концентратор, систему упруго-инерционных элементов и подвижную втулку, при этом магнитострикционный преобразователь, соединенный с концентратором, система упруго-инерционных элементов и подвижная втулка установлены внутри корпуса, к которому с наружной стороны присоединены сливной штуцер, прилив, патрубки для подачи жидкой среды. Недостатками данного ультразвукового устройства являются выход из строя всей акустической системы в результате воздействия взрывного нагружения на штуцера и патрубки, находящихся с наружной стороны корпуса, а также отсутствие защиты торца концентратора и присоединенного к нему рабочего наконечника от воздействия ударных детонационных волн.
Наиболее близкой по технической сущности является ультразвуковая колебательная система для обработки материалов (полезная модель к патенту РФ №140332, МПК В06В 1/06, опубл. 10.05.2014. Бюл. №14), содержащая неподвижный корпус, тыльную частотно-понижающую накладку, пьезоэлектрический преобразователь, рабочую накладку-концентратор и рабочий сменный инструмент, причем корпус выполнен цилиндрическим из стали с соотношением толщины стенки к внутреннему диаметру корпуса не менее 0,08, его торец со стороны тыльной частотно-понижающей накладки имеет плоскую поверхность, а торец со стороны накладки-концентратора - полусферическую поверхность, причем накладка-концентратор соединена с рабочим сменным инструментом, выполненным в виде биметаллического стержня с рабочей частью из материала, близкого по акустическим свойствам к обрабатываемому материалу, при этом между тыльной частотно-понижающей накладкой и плоским торцом корпуса и между биметаллическим стержнем и полусферическим торцом корпуса расположены демпфирующие прокладки. К недостаткам данной ультразвуковой колебательной системы следует отнести деформацию накладки-концентратора и нарушение целостности пьезокерамических дисков (трещины, отколы) из-за воздействия на них ударных детонационных волн вследствие отсутствия защищающего их полусферического торца, который не закреплен с цилиндрическим корпусом и поэтому достаточно легко от него отсоединяется (слетает) при взрывной обработке зарядами взрывчатого вещества (ВВ) средней и повышенной мощности, применяющихся при сварке взрывом трудносвариваемых разнородных металлов и высокопрочных сплавов. Кроме этого, происходит выход из строя всей акустической системы и наблюдаются значительные деформации корпуса в тех случаях, когда биметаллический стержень с присоединенным корпусом не отделяется от обрабатываемого ультразвуком свариваемого изделия и вместе с ними ударяется о металлические стенки бронекамеры, что связано с недостаточной величиной силы среза (отрыва) стержня, возникающей от воздействия ударных детонационных волн зарядами ВВ небольшой мощности и низкой скоростью детонации.
Задачей данной полезной модели является создание такой конструкции ультразвуковой колебательной системы, способной увеличить надежность и долговечность акустической системы за счет исключения возможности деформирования корпуса акустической системы и нарушения целостности пьезокерамических дисков при взрывной обработке (сварке) материалов зарядами со средней и высокой скоростью детонации, т.е. более мощными зарядами ВВ.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении полезной модели, - это увеличение надежности и долговечности акустической системы при взрывной обработке материалов зарядами средней и повышенной мощности.
Поставленный технический результат достигается тем, что в ультразвуковой колебательной системе для обработки материалов, содержащей неподвижный корпус, тыльную частотно-понижающую накладку, пьезоэлектрический преобразователь, рабочую накладку-концентратор и рабочий сменный инструмент, причем корпус выполнен цилиндрическим из стали с соотношением толщины стенки к внутреннему диаметру корпуса не менее 0,08, его торец со стороны тыльной частотно-понижающей накладки имеет плоскую поверхность, а торец со стороны накладки-концентратора - полусферическую поверхность, причем накладка-концентратор соединена с рабочим сменным инструментом, выполненным в виде биметаллического стержня с рабочей частью из материала, близкого по акустическим свойствам к обрабатываемому материалу, при этом между тыльной частотно-понижающей накладкой и плоским торцом корпуса и между биметаллическим стержнем и полусферическим торцом корпуса расположены демпфирующие прокладки, при этом цилиндрический корпус закреплен плотно с полусферическим торцом винтовыми соединениями, а в биметаллическом стержне выполнена кольцевая канавка глубиной 0,1…0,2 диаметра стержня.
В отличие от прототипа в заявляемой конструкции, цилиндрический корпус закреплен плотно с полусферическим торцом винтовыми соединениями, а в биметаллическом стержне выполнена кольцевая канавка глубиной 0,1…0,2 диаметра стержня.
Выполнение цилиндрического корпуса закрепленным плотно с полусферическим торцом винтовыми соединениями позволит повысить надежность и долговечность акустической системы за счет исключения возможности разъединения полусферического торца от цилиндрического корпуса в процессе взрывного нагружения свариваемого и обрабатываемого ультразвуком изделия и тем самым сохранения в целостности внутренних элементов акустической системы (пьезокерамических дисков, накладок, проводов и электроконтактов) от воздействия ударных детонационных волн зарядами ВВ средней и повышенной мощности.
Выполнение в биметаллическом стержне кольцевой канавки глубиной 0,1…0,2 диаметра стержня позволит повысить надежность и долговечность акустической системы за счет гарантированного среза ударными волнами биметаллического стержня и отсоединения его от свариваемого взрывом изделия, что исключит возможность удара корпуса о металлические стенки бронекамеры и сохранит в целостности внутренние элементы акустической системы. При выполнении в биметаллическом стержне кольцевой канавки глубиной меньше 0,1 диаметра стержня не удается его срезать и отсоединить от свариваемого взрывом изделия, в результате чего под воздействием ударных волн изделие с присоединенным к нему биметаллическим стержнем и корпусом ударяется о металлические стенки бронекамеры, что приводит к выводу из строя всей акустической системы. При выполнении в биметаллическом стержне кольцевой канавки глубиной больше 0,2 диаметра стержня происходит нарушение стабилизации параметров и уменьшение мощности ультразвуковой волны, что приводит к снижению эффективности ультразвуковой обработки, а следовательно - снижению прочности сваренного взрывом соединения.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид ультразвуковой колебательной системы; на фиг. 2 - винтовое соединение полусферического торца с цилиндрическим корпусом; на фиг. 3 - кольцевая канавка в биметаллическом стержне.
Ультразвуковая колебательная система для ультразвуковой обработки материалов включает стальной корпус, состоящий из цилиндрической части 1, плоского торца 2 и полусферического торца 3, который закреплен плотно с цилиндрическим корпусом винтовыми соединениями 4. Внутри корпуса помещены пьезокерамические диски 5, тыльная частотно-понижающая накладка 6, рабочая накладка-концентратор 7, закрепленные в корпусе с помощью шпильки 8 и гайки 9. К торцу накладки-концентратора присоединяется сменный рабочий инструмент в виде биметаллического стержня 10, на наконечнике которого выполнена кольцевая канавка 11 глубиной 0,1…0,2 диаметра стержня, причем стержень выполнен из материала близкого по акустическим свойствам к обрабатываемому в процессе сварки взрывом материалу изделия 12. Демпфирующие прокладки 13 и 14 помещают соответственно между тыльной частотно-понижающей накладкой и плоским торцом корпуса, а также между биметаллическим стержнем и полусферическим торцом. Подключение ультразвуковой колебательной системы к генератору осуществляется с помощью электрических проводов 15.
Ультразвуковая колебательная система работает следующим образом. Сборка ультразвуковой колебательной системы и пакета для сварки взрывом, состоящего из двух пластин и заряда ВВ с электродетонатором, производится в бронекамере. При этом соединение биметаллического стержня 10 с одной из свариваемых пластин 12 может осуществляться с помощью винта с гайкой, либо сваркой. Затем электрические провода 15 от ультразвуковой колебательной системы подсоединяют к ультразвуковому генератору, находящемуся на безопасном расстоянии за пределами бронекамеры (в другом помещении). После включения ультразвукового генератора пьезокерамический преобразователь 5 через биметаллический стержень 10 подает ультразвуковые колебания на одну из свариваемых пластин 12. Через некоторый промежуток времени (обычно 20-30 с) с помощью взрывной машинки производят подрыв заряда ВВ, т.е. осуществляют процесс сварки взрывом. Подача ультразвуковых колебаний к одной из свариваемых пластин с одновременным инициированием заряда позволяет повысить прочность соединения за счет эффективной ультразвуковой обработки материала, обеспечивающей активацию атомов, разрушение окисных пленок и сглаживание микронеровностей в поверхностном слое пластины, способствуя тем самым к сближению межатомного расстояния и увеличению площади физического контакта соединяемых поверхностей металлов непосредственно в процессе сварки взрывом.
ПРИМЕР ИСПОЛНЕНИЯ
в
c
Корпус ультразвуковой колебательной системы изготавливался из стали Ст3 с толщиной стенки δ=4,5 мм и внутренним диаметром цилиндрической части D=50 мм. Полусферический торец плотно закреплялся с цилиндрическим корпусом с помощью винтов. В качестве биметаллических стержней применялись прутки диаметром d=4 мм из стали Ст3 и высокопрочной нержавеющей стали 20X13. Эксперименты по сварке взрывом разнородных металлов проводились на трудносвариваемой паре Ст3+20Х13. Ультразвуковой обработке в процессе сварки взрывом подвергалась высокопрочная нержавеющая сталь 20X13.
Данные о влиянии высоты и скорости детонации заряда ВВ, глубины кольцевой канавки и винтового закрепления полусферического торца на надежность и долговечность ультразвуковой колебательной системы приведены в таблице.
Полученные результаты исследований показали, что при плотном закреплении цилиндрического корпуса с полусферическим торцом винтовыми соединениями и выполнении в биметаллическом стержне кольцевой канавки глубиной 0,1…0,2 диаметра стержня повышается надежность и долговечность ультразвуковой колебательной системы за счет исключения возможности разъединения полусферического торца от цилиндрического корпуса в процессе взрывного нагружения свариваемого и обрабатываемого ультразвуком изделия и сохранения в целостности внутренних элементов акустической системы от воздействия ударных детонационных волн, а также за счет гарантированного среза ударными волнами биметаллического стержня и отсоединения его от свариваемого взрывом изделия, что исключит возможность удара корпуса о металлические стенки бронекамеры.