Кафедра «Оборудование и технология сварочного производства»

Иванов Н.И.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ

СВАРКИ В ТВЕРДОЙ ФАЗЕ

Конспект лекций

Специальность120500 – Технология и оборудование

сварочного производства

КУРСК 2006

ВВЕДЕНИЕ

Традиционные, хорошо изученные и разработанные способы сварки, сопровождающиеся расплавлением соеди­няемых заготовок, во многих случаях не позволяют исполь­зовать в машиностроении, электротехнической и электрон­ной промышленностях новые высокопрочные, коррозионно-стойкие, полупроводниковые, сверхпроводящие, магнит­ные и другие специальные материалы, так как расплавление металла, развитие рекристаллизационных процессов и фа­зовых превращений, обусловленных термическим циклом сварки, приводят к необратимым изменениям и потере этих свойств.

Большие затруднения возникают при решении про­блемы соединения разнородных материалов с помощью сварки плавлением, из-за невозможности ограничения про­цессов взаимной диффузии, приводящих к развитию хими­ческой неоднородности, появлению хрупких промежуточ­ных фаз и соединений.

Созданные в последние годы сверхжаропрочные ма­териалы (литейные, никелевые, дисперсно-упрочненные, композиционные) практически не поддаются сварке плав­лением.

Традиционные методы сварки не решают проблему создания крупногабаритных тонкостенных многослойных конструкций (представляющих собой сочетание несущих обшивок с заполнителем, например, сотовым), необходи­мых для снижения массы летательных аппаратов, охлажде­ния или обогрева их узлов, шумопоглощения и т.д.

Согласно ГОСТ 2601-84 (СТ СЭВ 5277-85) «Сварки металлов. Термины и определения основных понятий» к видам сварки давлением относятся сварка взрывом, магнит­но-импульсная, кузнечная, прокаткой, газопрессования, диффузионная, трением, ультразвуковая и холодная. Про­цесс сварки осуществляется в твердой фазе при температу­рах ниже точки плавления свариваемых материалов без ис­пользования припоя и с приложением давления, достаточ­ного для создания необходимой пластической деформации соединяемых частей.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ

Задача сварки - получение неразъемного соединения со свойствами, близкими к свойствам соединяемых мате­риалов. Так как физические и химические свойства твердых тел определяются их строением и природой межатомных связей, то для получения соединения необходимо сформи­ровать между свариваемыми поверхностями химические связи, аналогичные действующим в твердых телах. Знание природы и характера сил, действующих в свариваемых ма­териалах, необходимо для установления механизма образо­вания сварного соединения и принципов построения техно­логии сварки в твердой фазе.

1.1. Химические связи и силы, действующие в твердых телах

В узлах кристаллической решетки твердых тел нахо­дятся атомы (ионы), между которыми существует химиче­ская связь: ионная, ковалентная, металлическая, Ван-дер-Ваальса.

В ионных кристаллах в узлах решетки находятся ио­ны, которые располагаются так, что силы кулоновского притяжения между ионами противоположного знака боль­ше, чем силы отталкивания между ионами одного знака. Ионная связь обусловлена, в основном электростатическим взаимодействием противоположно заряженных ионов.

Межатомные связи могут быть обусловлены обоб­ществлением валентных электронов. Такие связи называют­ся ковалентными. В основе их возникновения лежит обмен­ное взаимодействие или обменный эффект, обусловленный обменом атомов электронами и имеющий чисто квантовую природу. Ковалентная связь имеет строго направленный ха­рактер. Все ковалентные связи, исходящие от данного ато­ма, жестко связывают его с каждым другим атомом, образуя гигантскую молекулу. Пластическая деформация кристал­лов с такими связями возможна только при повышенной температуре.

При образовании металлических кристаллов атомы сближаются на такое расстояние, когда волновые функции валентных электронов существенно перекрываются. Ва­лентные электроны получают возможность переходить от одного атома к другому и могут довольно свободно пере­мещаться по всему объему металла. Поэтому валентные электроны принято называть «коллективизированными». Металлическую связь в таких кристаллах можно предста­вить как связь, возникающую за счет сил притяжения между решеткой из положительно заряженных ионов и окружаю­щим их газом «коллективизированных» электронов, оказы­вающим стягивающее действие.

Все атомы, ионы и молекулы испытывают слабое взаимное притяжение друг к другу, которое обусловлено силами Ван-дер-Ваальса. Источником этих сил является по­ляризационный эффект, вызываемый влиянием поля элек­тронов, движущихся вокруг ядра одного атома, на движение электронов вокруг ядра соседнего атома. Вандерваальсова связь является наиболее универсальной, она возникает меж­ду любыми частицами, но это наиболее слабая связь, энер­гия ее примерно на два порядка ниже энергии связи ионных и ковалентных кристаллов. Энергия металлической связи по порядку величины сравнима с энергией связи ионных и ковалентных кристаллов, но все же меньше последней в не­сколько раз.

Все твердые тела сопротивляются как деформации растяжения, так и деформации сжатия. То есть, между час­тицами твердого тела действуют как сила притяжения, так и сила отталкивания. При некотором расстоянии между час­тицами эти силы уравновешивают друг друга, что и соот­ветствует равновесному состоянию кристалла.

Результирующая Р сил отталкивания - Р _от и притя­жения - Р _пр может быть приближенно описана выражением

,

где а и b - постоянные значения; r - расстояние между час­тицами; m и n - постоянные, зависящие от физической при­роды действующих сил и вида кристалла; m < n, поэтому с уменьшением расстояния силы отталкивания возрастают быстрее сил притяжения.

Графические зависимости сил взаимодействия час­тиц от расстояния между ними приведены на рис. 1.1. При r = r _о равнодействующая сила равна нулю. Суммарная потен­циальная энергия взаимодействия двух частиц U определя­ется формулой

,

где , .

При r = r _о потенциальная энергия взаимодействующих частиц минимальна.

Рис. 1.1. Зависимость сил взаимодействия частиц от расстояния между ними

1.2. Термодинамика процесса схватывания

Для понимания процесса образования соединения рассмотрим результаты анализа схватывания на идеализи­рованных моделях.

При сближении в вакууме двух монокристаллов од­ного и того же вещест­ва, с одинаково ориен­тированными кристал­лографическими осями и с абсолютно ровны­ми и ювенильными по­верхностями рис. 1.2,а), между ними возника­ют силы межмолеку­лярного притяжения – силы Ван-дер-Ваальса. Дальнейшее сближе­ние монокристаллов под действием этих сил пойдет самопроизвольно и будет сопровождаться уменьшением потенциальной энергии системы по кривой 1 (рис. 1.3).

На некотором расстоянии r начнется перекрытие стабильных электронных оболочек поверхностных атомов, и появятся быстрорастущие силы отталкивания. При r ₁> a (a - период кристаллической решетки) результирующая сила станет равной нулю, и потенциальная энергия системы дос­тигнет минимального значения. Этот процесс термодина­мически оправдан снижением энергии системы. Прочность сцепления двух кристаллов в этом положении обусловлива­ется значением энергии связи E ₁, которая относительно невелика и составляет всего 0,8 ÷ 8,0 кДж/моль (энергия металлической связи, например, у железа состав­ляет 395 кДж/моль). Образование такого типа связи, приме­нительно к рассматриваемой модели, можно трактовать как установление физического контакта между соединяемыми поверхностями.

Рис. 1.2. Идеализированные схемы схватывания

Рис. 1.3. Зависимость потенци­альной энергии E двух кристал­лов от расстояния между ними r

При дальнейшем сближении поверхностей соеди­няемых кристаллов результирующая сила будет действовать как отталкивающая. Если, преодолевая эти силы, продол­жать сближать атомы поверхностей, то потенциальная энер­гия системы будет изменяться по левой части кривой 1 в на­правлении точки А и далее. В точке А между атомами двух поверхностей начнутся процессы электронного взаимодей­ствия, и дальнейшее сближение кристаллов будет сопрово­ждаться уменьшением энергии системы по кривой 2. Энер­гия Е_а, необходимая для перевода системы в состояние хи­мического взаимодействия, называется энергией активации. Она расходуется на изменение устойчивого энергетического состояния атомов, находящихся на соединяемых поверхно­стях.

В результате сближения поверхностей на расстояние r ₂ = а и установления между атомами соединяемых поверх­ностей химических связей система достигает минимума по­тенциальной энергии Е ₂ и переходит в равновесное состоя­ние. Граница раздела между двумя монокристаллами исче­зает, так как атомы соединяемых поверхностей образуют энергетически устойчивые конфигурации электронов, при­сущие атомам внутри кристалла, происходит схватывание (сварка). Термодинамически такой процесс оправдан сни­жением свободной энергии системы на величину энергии двух исчезнувших поверхностей раздела.

При сближении двух идеальных монокристаллов с узлами решетки, взаимно смещенными на некоторую вели­чину Δ < 0,5а (рис. 1.2, б), в результате схватывания сме­щенные монокристаллы объединятся с образованием гра­ницы, на которой правильное кристаллическое строение на­рушится. Создание такой границы потребует затраты энер­гии Е _гр, связанной с упругим искажением решетки. Однако величина Е _гр значительно меньше, чем 2 Е _п (Е _п - свободная энергия поверхности), и процесс схватывания термодинамически вероятен, так как он ведет к уменьшению свобод­ной энергии системы на величину

.

При сближении идеальных монокристаллов разно­родных материалов (a₁ ≠ a₂)и реализации процесса схваты­вания образуется граница, на которой возникнут краевые дислокации (рис. 1.2, в), приводящие к увеличению энергии границы на Δ Е _гр. С точки зрения термодинамики способ­ность к схватыванию (сварке) разнородных металлов долж­на увеличиваться, если они взаимно растворимы или дают устойчивые химические соединения, так как в этом случае всегда уменьшается свободная энергия системы.

Таким образом, для металлов процесс схватывания сопровождается уменьшением свободной энергии системы и термодинамически выгоден. Однако принципиальная воз­можность схватывания еще не означает, что всегда можно получить работоспособное сварное соединение.

1.3. Строение реальных поверхностей металлов

Соединение металлов в твердой фазе осуществляется по их поверхностям, поэтому состояние контактных по­верхностей играет очень важную роль в получении качест­венного сварного соединения.

Реальные металлические тела существенно отлича­ются от рассмотренных выше идеальных кристаллов. Их поверхности, представляющие собой сложные системы, можно охарактеризовать геометрией рельефа и физико-химическим состоянием.

После механической обработки на поверхности ме­таллов появляется макроскопическая (волнистость) и мик­роскопическая (шероховатость) геометрическая неоднород­ность. Микровыступы располагаются на волнистой поверх­ности, шаг которой может составлять от 1000 до 10000 мкм, а высота - от нескольких микрон до 40 мкм. Высота микро­выступов (мкм) в зависимости от способа обработки по­верхности имеет следующие значения:

черновая обработка резцом 80

чистовая обработка резцом 10

грубое шлифование 6,3

полирование 0,4

особо чистовое полирование 0,05

При сближении таких поверхностей их контактиро­вание произойдет не по всей плоскости, а лишь в отдельных точках (рис. 1.4).

а б

Рис. 1.4. Модель контакта загото­вок: а — по макровыступам (волнис­тости);

б — по микровыступам (шероховатости)

Большинство металлов и сплавов в обычных услови­ях термодинамически неустойчиво и легко переходит в окисленное состояние. При контактировании ювенильных поверхностей (образованных, например, в изломе металла или в первые мгновения после механической обработки) с окружающей атмосферой на них образуются слои химиче­ски адсорбированного кислорода с большой скоростью. Так время, необходимое для адсорбирования мономолекулярно­го слоя газа в атмосфере воздуха при 20 ^oС и различном давлении, составляет:

Давление, Па 10⁵ 1,0 10^-5

Время, с 2,4·10^-9 1,8·10^-4 18

Молекулы кислорода, попадая на металл, расщепля­ются на атомы, химически взаимодействующие с металлом и образующие очень прочные направленные связи. Такой процесс называется хемосорбцией. Хемосорбция в боль­шинстве случаев сопровождается образованием оксидной пленки по реакции

.

Поэтому, как бы ни очищали поверхность металла перед сваркой, она всегда оказывается покрытой слоем ок­сида, который является существенным барьером для получения качественного соединения, поскольку силы межатом­ного взаимодействия перестают действовать уже на рас­стоянии порядка 1нм и, кроме того, кислород насыщает свя­зи поверхностных атомов металла. Полное удаление окси­дов со свариваемых поверхностей не может быть осуществ­лено предварительной очисткой; оно происходит в процессе сварки.

Кроме оксидов на поверхности металла, имеются слои адсорбированных газов, влаги и органических (жировых) загрязнений. Органические загрязнения особенно за­трудняют сварку при комнатной температуре или с нагре­вом до невысоких температур.

1.4. Механизм образования соединения при сварке давле­нием

Согласно современным представлениям физические основы процесса образования соединения и элементарные акты взаимодействия на границе раздела свариваемых материалов являются общими для всех видов сварки давлением (холодной, взрывом, трением, ультразвуковой, диффузион­ной, прокаткой и др.). Различия же состоят не в физике про­цесса, а лишь в его кинетике, в способах подвода внешней энергии к свариваемым материалам, в скорости и длитель­ности образования сварного соединения.

На основании экспериментальных данных по сварке материалов в твердой фазе сформулирован ряд гипотез для объяснения сущности этого процесса.

С.Б. Айнбиндером предложена пленочная гипотеза, согласно которой соединение может быть получено только после полного удаления оксидов и сближения ювенильных поверхностей на расстояние межатомного взаимодействия. Соединение образуется спонтанно. Сварка реализуется в процессе деформации контактных поверхностей, приводя­щей к растрескиванию и выносу к периферии зоны соеди­нения оксидных пленок и других загрязнений.

Присутствие оксидов и адсорбированных газо безус­ловно сильно затрудняет сварку, но ошибочно считать, что в процессе деформации при сварке получаются до конца очищенные ювенильные поверхности. Полное восстановле­ние оксидов не обязательно и практически трудно выпол­нимо. Если пленки утонены до критической минимальной толщины, равной параметру решетки, которая когерентна решетке данного металла, возможно образование соедине­ния и через пленку оксида.

А. П. Семенов на основании изучения охватывания металлов предложил энергетическую гипотезу, согласно ко­торой для реализации процесса схватывания двух поверхно­стей необходимо, чтобы энергия их атомов превышала на некоторую величину (энергетический порог схватывания) уровень энергии, характерный для данного материала. При­соединение атомов одной поверхности к атомам другой без преодоления энергетического порога считается невозможным. Существование энергетического барьера связывается с направленностью кристаллической решетки.

Гипотеза, предложенная Парксом, основана на пред­ставлении о рекристаллизации, приводящей к образованию новых, общих для соединяемых поверхностей зерен, как ос­новном факторе, определяющем соединение в твердой фазе.

Б.И. Костецким и И.П. Ивженко предложена гипоте­за, согласно которой формирование соединения контроли­руется перемещением масс в процессе диффузии на глубину порядка нескольких нанометров по вакансиям, образован­ным при деформации.

Согласно гипотезе, развиваемой Н.Ф. Казаковым, в основе образования качественного соединения между кон­тактирующими поверхностями лежат процессы взаимного перемещения атомов в глубь соединяемых тел. Получение прочного соединения при диффузионной сварке объясняет­ся возникновением металлических связей в результате ло­кальной деформации при повышенной температуре, макси­мального сближения поверхностей и взаимной диффузии в поверхностных слоях контактирующих материалов.

Существует еще целый ряд гипотез и положений, однако перечисленные выше - наиболее распространенные.

Рассмотренные гипотезы освещают лишь отдельные стороны процесса сварки в твердой фазе.

Вскрывающей сущность и последовательно объяс­няющей процесс соединения металлов в твердой фазе явля­ется теория, развиваемая в работах Ю.Л. Красулина, М.Х. Шоршорова, Э.С. Каракозова и др., согласно которой про­цесс соединения материалов в твердой фазе относят к клас­су характеризуемых стадийностью топохимических реакций развития. При сварке условно различают три стадии:

• образование физического контакта;

• активация контактных поверхностей;

• развитие объемного взаимодействия.

Образование физического контакта - это процесс сближения атомов свариваемых поверхностей на расстоя­ние, при котором возникает физическое воздействие, обу­словленное силами типа сил Ван-дер-Ваальса.

Сближение свариваемых поверхностей происходит, в первую очередь, за счет пластической деформации микро­выступов и приповерхностных слоев, обусловленной при­ложением внешних сжимающих усилий и нагревом метал­ла.

Что же такое активация контактных поверхностей? Поверхности твердых тел на воздухе инертны, так как ва­лентности их атомов насыщены связью с атомами окру­жающих газов. Классическим примером является окисление вещества в атмосфере воздуха. Между окисленными по­верхностями твердого тела могут идти процессы типа физи­ческой адсорбции, обусловленные силами притяжения Ван-дер-Ваальса.

Для химической адсорбции (образования химиче­ских связей) требуется затрата некоторой энергии на акти­вацию. Физически этот процесс обусловлен разрывом на­сыщенных связей на поверхности адсорбирующего тела, который приводит к появлению неспаренных электронов, способных участвовать в химическом взаимодействии.

Процесс схватывания твердых тел, в результате ко­торого между атомами соединяемых поверхностей устанав­ливаются химические связи, происходит на активных цен­трах.

Активный центр - это участок (в пределе - частица) со свободными валентностями на поверхности твердого те­ла, а процесс их образования - активация поверхностей.

Активными центрами при твердофазном взаимодей­ствии может быть очень широкий спектр дефектов: дисло­кации с полем упругих искажений, вакансии, геометриче­ские неоднородности структуры на поверхности и т.д.

Образование активных центров возможно:

а) механически - в процессе пластической деформации, сопровождаемой зарождением и движением дислокаций; при удалении с поверхности части самого металла или химически связанного с ним инородного вещества (например, оксидов); с помощью скола кристалла по плоскости спайности или процесса хрупкого разрушения;

б) термически - вследствие реализации термоактивируемого процесса (само- и гетеродиффузии, движения вакансий, диссоциаций и растворение оксидов и т.д.), приводящего к разрыву хотя бы части насыщенных химических связей поверхностных атомов.

При сварке, сопро­вождающейся деформацией свариваемых элементов, наибольшее практическое значение имеет дислокаци­онный механизм образова­ния активных центров.

Исследование сварки алюминиевой проволоки с монокристаллом кремния (рис. 1.5) показало, что прочное соединение образо­вывалось там, где в резуль­тате появления достаточных касательных напряжений τ, развивалась пластическая деформация, сопровождае­мая образованием и движе­нием дислокаций.

Сопоставление раз­меров участков схватывания с плотностью дислокаций в кремнии и числом атомов на поверхности, позволило сделать принципиально важный вывод о том, что активными центрами являются не только атомы, расположенные в центре дислокации, но и целые зо­ны упруго искаженной решетки вокруг центра дислокации.

При сварке одноименных или с близкими физико-механическими свойствами металлов активация контактных поверхностей происходит одновременно с образованием физического контакта в процессе их сближения при смятии отдельных микровыступов. Фактически после первой ста­дии наступает третья.

При сварке разнородных материалов с резко различ­ной сопротивляемостью пластической деформации физиче­ский контакт образуется за счет материала, обладающего в условиях сварки меньшим сопротивлением деформации. Второй материал при этом начинает испытывать силовое воздействие с некоторым запозданием, и процессы, приво­дящие к активации его поверхности, идут более медленно. Но эти процессы - по существу та же деформация, с тем же движением и выходом дислокаций и вакансий на его по­верхность.

Рис. 1.5. Распределение нормальных (σ) и каса­тельных (τ) напряжений и дислокаций (внизу) в плоскости контакта при сварке алюминиевой про­волоки (1) с монокрис­таллом кремния (2)

Третья стадия - стадия объемного взаимодействия - наступает с момента образования активных центров. На этой стадии происходит развитие взаимодействия соеди­няемых материалов как в плоскости контакта с образовани­ем прочных химических связей, так и в объеме зоны кон­такта. Этот процесс протекает на активных центрах. В плоскости контакта процесс объемного взаимодействия за­канчивается слиянием дискретных очагов взаимодействия, а в объеме - релаксацией напряжений. Для обеспечения тре­буемой прочности соединения часто необходимо дальней­шее развитие релаксационных процессов типа рекристалли­зации или гетеродиффузии. При сварке одноименных ме­таллов критерием завершения третьей стадии может служить рекристаллизация, приводящая к образованию общих зерен в зоне контакта. При сварке разноименных металлов необходимость развития или ограничения гетеродиффузии определяется свойствами диффузионной зоны и образую­щихся в ней фаз. Гетеродиффузия может приводить к уп­рочнению соединения, если при этом благоприятно меняет­ся химический состав материалов в зоне стыка, или разу­прочнению, если образуются хрупкие соединения.

Следует отметить, что деление процесса образования соединения на три стадии оправдано только для микроско­пических участков контакта. Если рассматривать макроско­пическую картину процесса, то часто могут встречаться случаи, когда, например, вследствие медленного растекания одного из соединяемых материалов по поверхности другого в первых по времени образования участках контакта уже за­канчивается третья стадия, а в последних - только еще будет протекать первая стадия.

В зависимости от особенностей того или иного спо­соба сварки без расплавления одна из указанных стадий может быть лимитирующей в общем процессе образования соединения. В основном свойства сварного соединения за­висят от того, какое развитие получила стадия объемного взаимодействия и какими процессами она закончилась при конкретных условиях сварки для конкретной пары материа­лов. При способах сварки, характеризуемых малой длитель­ностью и низкой температурой процесса (<0,5 Т _пл), релак­сационные процессы на стадии объемного взаимодействия не получают развития, и сварка заканчивается схватывани­ем контактных поверхностей. Этот процесс характерен для таких способов получения соединения, как сварка взрывом, магнитно-импульсная сварка, холодная сварка. При таких способах сварки, как диффузионная, сварка токами высокой частоты стадия объемного взаимодействия получает развитие и заканчивается образованием общих зерен или новых фаз.

При сварке давлением задачи образования физиче­ского контакта, активация контактных поверхностей и раз­вития объемного взаимодействия в зависимости от особен­ностей технологического процесса решаются по-разному. Пластическое деформирование в зоне соединения, прису­щее всем способам сварки в твердой фазе, может осуществ­ляться с нагревом или без нагрева. Процесс может идти на воздухе или в контактируемой среде. Иногда он сопровож­дается взаимным перемещением свариваемых деталей (их трением).

Процесс сварки давлением управляется следующими технологическими параметрами: давлением (деформацией), температурой, временем, средой (составом газовой фазы), скоростью взаимного перемещения (трением). В зависимо­сти от вида сварки роль этих параметров различна.

2. ХОЛОДНАЯ СВАРКА

Холодная сварка - способ соединения деталей при комнатной (и даже отрицательной) температуре без нагрева внешними источниками. Сварка осуществляется с помощью специальных устройств, вызывающих одновременную на­правленную деформацию предварительно очищенных по­верхностей и нарастающее (до определенной границы) на­пряженное состояние, при котором образуется монолитное высокопрочное соединение.

Холодной сваркой можно соединять алюминий, медь, свинец, цинк, никель, серебро, кадмий, железо и т.д. Особенно велико преимущество холодной сварки перед другими способами сварки при соединении разнородных металлов, чувствительных к нагреву или образующих интерметаллоиды.

По природе холодная сварка - сложный физико-химический процесс, протекающий только в условиях пла­стической деформации. Без пластической деформации в обычных атмосферных условиях, даже прилагая любые удельные сжимающие давления на соединяемые заготовки, практически невозможно получить полноценное монолит­ное соединение. Так, в отверстие прочной втулки 1 (рис. 2. 1) вставлялись два тщательно подогнанных образца и с полированными контактными поверхностями. Образцы изготавливались из алюминия, меди, свинца, цинка и аморфных тел. Они сжимались пуансонами 3 и 4 с удель­ным давлением до 5000 МПа. Деформация образцов в месте их контакта не происходила. Опыты показали, что ни в од­ном случае монолитное соединение не образовалось. Одна­ко, если в месте контакта данных металлов обеспечивалось протекание пластической деформации, то монолитное со­единение образовалось при давлениях в 4÷20 раз меньших.

Рис. 2.1. Сжатие образцов во втулке

Пленки окси­дов и адсорбированных газов сильно за­трудняют сварку, но ошибочно считать, что при сварке в ат­мосферных условиях получаются до конца очищенные, ювенильные поверхно­сти. Существует кри­тическая толщина пленки, выше которой получить монолитное соединение очень затруднительно. Практика сварки показывает, что если толщина оксидов меньше толщины межзеренных границ, то соединения обладают достаточной прочностью и пластичностью.

Утонение исходных оксидных пленок до критиче­ского размера происходит в процессе пластической дефор­мации контактных поверхностей при сварке.

Например, при вдавливании пуансона по схеме хо­лодной точечной сварки контактные поверхности алюминия увеличиваются более чем в 40 раз. Судя по характеру линий течения, считают, что они, подступая с глубинных слоев металла к пленкам оксидов, расположенных на контактных поверхностях, своим течением последовательно их «смыва­ют» - захватывают с внутренней стороны (со стороны ме­талла), сдвигая на периферию. При этом, по-видимому, пленки неравномерно утоняются от центра сварной точки к периферии.

Характер утонения пленок весьма приближенно можно определить по закону постоянства объема

,

где F _и и F _к - исходная и конечная площадь пленки; У _и и У _к - исходная и конечная толщина пленки; У _и - обычно нахо­дится в пределах 5÷10 нм; F _к ≈ 40 F _и.

Откуда

.

Следовательно, суммарная толщина оксидных пле­нок в контакте может составлять 0,2÷0,5 нм. Эта величина близка к величине параметра решетки алюминия, которая равна 0,4÷0,41 нм и не превышает толщины межзеренной границы.

Вследствие неравномерного распределения напря­жений и деформаций при ее большой величине возможно образование совершенно чистых ювенильных поверхно­стей.

При сведении в контакт ювенильных поверхностей их схватывание происходит при незначительной пластиче­ской деформации. Чем толще поверхностные пленки в мо­мент соединения металлов, тем требуется большая энергия для активации поверхностных атомов. Источником энергии активации атомов при холодной сварке может быть механи­ческое давление или вызванное им напряжение.

Расчеты, выполненные Г.П.Сахацким, показывают, что давление, прилагаемое в конечный период холодной сварки, тождественно механической или эквивалентной ей тепловой энергии, которая в принципе могла бы нагреть ме­талл до некоторой достаточно высокой условной темпера­туры (табл. 2.1). В условиях низких температур амплитуда колебаний атомов тем больше, чем выше давление их сжа­тия. То есть сжатие, так же как и нагрев, способно «напол­нить» металл энергией.

Растекание металла в плоскости соединения приво­дит к интенсивному движению дислокации с образованием активных центров на соединяемых поверхностях.

Таким образом, роль деформации при холодной сварке заключается в предельном утонении или удалении слоя оксидов, в сближении свариваемых поверхностей до расстояния, соизмеримого с параметром кристаллической решетки, а также в повышении энергетического уровня по­верхностных атомов, обеспечивающем возможность обра­зования химических связей.

Таблица 2.1

Соответствие условной температуры Т _м удельному давлению Р

при холодной сварке

Качество сварного соединения определяется исход­ным физико-химическим состоянием контактных поверхно­стей, давлением (усилием сжатия) и степенью деформации при сварке. Оно также зависит от схемы деформации и спо­соба приложения давления (статического, вибрационного).

Поэтому перед сваркой необходима тщательная предварительная подготовка контактных поверхностей, ко­торая состоит из удаления внешних загрязнений, обезжири­вания и зачистки. Особенно мешают сварке органические загрязнения, трудноудаляемые из зоны соединения при со­вместной деформации.

Наилучшая свариваемость достигается при механи­ческой зачистке ножом или шабером, когда срезается тон­кий поверхностный слой, содержащий оксиды и адсорбиро­ванные слои органических соединений, влаги, газов. Но этот способ не эффективен в производственных условиях. Наиболее распространенным и производительным способом является зачистка поверхностей вращающейся металличе­ской щеткой, изготовленной из стальной проволоки диа­метром 0,08÷0,3 мм. Возможна химическая зачистка по­верхностей, которая может быть применена к изделиям сложной формы, труднообрабатываемой механическим способом. Так, алюминий травят в 5 %-ном растворе NaOH, а медь - в 40 %-ном растворе НNO₃.

Свариваемость поверхностей, зачищенных химиче­ским способом, начинает понижаться через 6 часов, в то время как после механической зачистки она сохраняется без изме­нения прочности до 24 часов.

Для очистки алюминия также применяется прокали­вание с выжиганием жировых пленок при температуре 350÷400 °С. Образующиеся при этом оксидные пленки разру­шаются при деформации.

Не разрешается прикасаться руками к очищенным поверхностям, так как жировые отпечатки рук вызывают непровары.

Инструмент, используемый для механической зачи­стки поверхностей, должен быть тщательно обезжирен.

В зависимости от схемы пластической деформации соединяемых заготовок сварка может быть точечной, шов­ной и стыковой.

Точечная сварка - наиболее простой и распростра­ненный способ холодной сварки. Ее применение рацио­нально для соединения алюминия, алюминия с медью, ар­мирования алюминия медью. Она позволяет заменить тру­доемкую клепку и контактную точечную сварку.

При точечной сварке (рис. 2.2,а) зачищенные детали 1 устанавливаются внахлестку между пуансонами 2, имею­щими рабочую часть 3 и опорную поверхность 4. При вдавливании пуансонов сжимающим усилием Р происходит де­формация заготовок и формирование сварного соединения. Опорная часть пуансонов создает дополнительное напря­женное состояние в конечный момент сварки, ограничивает глубину погружения пуансонов в металл и уменьшает ко­робление изделия.

Отожженные металлы рекомендуется сваривать круглым пуансоном, а нагартованные - прямоугольным или более сложным (рис. 2.2, б).

Рис. 1.2. Схема холодной точечной сварки (а), геометрия сварного со­единения (б) и применяемые формы пуансонов (в)

Рациональный диаметр рабочей части круглого пуансона составляет:

,

где δ - толщина металла в пределах 0,8÷5 мм.

Ширина прямоугольного пуансона

,

а его длина

.

В конечный момент сварки общее давление состоит из давления на пуансон и на опорную часть, создающего обжатие точки

,

где F _t и F _ОП - площадь рабочей и опорной части пуансона; Р и Р _оп - удельное давление на рабочей и опорной площади.

Минимальное удельное давление Р при сварке олова близко к 90 МПа, отожженного алюминия - 160 МПа, меди -280 МПа, армко-железа - 750 МПа, стали Х18Н9Т - 2000 МПа. В производственных условиях алюминий сваривают при 260 МПа, а армко-железо - при 1300 МПа. Удельное давление ориентировочно можно выбирать по зависимости

,

где σ _т - предел текучести свариваемого металла.

Удельное давление на опорную часть при сварке алюминия составляет Р _оп = 25÷50 МПа. Нижний предел применяют для малых толщин.

Для оценки способности металлов к холодной точеч­ной сварки принято условное понятие «свариваемость» или коэффициент остаточной толщины S, который определяется зависимостью

,

где h - остаточная толщина между пуансонами; δ ₁ и δ ₂ - толщина свариваемых заготовок.

Для листового алюминия толщиной 0,8÷4 мм опти­мальная свариваемость равна 30 %. С увеличением тол­щины заготовок от 5 до 10 мм свариваемость понижается до 20 %. Свариваемость может быть повышена до 40 %, но для этого требуется создание высоких давлений на опорную часть пуансона для обеспечения достаточного напряженно­го состояния. При высокой степени деформации (S = 10 %) прочность точек повышается, но при этом резко повышает­ся требуемое давление при сварке, увеличиваются дефор­мации и коробления свариваемых изделий.

Прочность точек может быть повышена на 10 - 20 % при сварке по схеме (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схема холод­ной точечной сварки с предварительным об­жатием

Свариваемые детали 1 предварительно сжимаются прижимами 3 или одновременно с вдавливанием пу­ансона 2. Наличие зоны обжатия вокруг вдавливае­мого пуансона уменьшает коробление деталей, повышает напряженное состоя­ние в зоне сварки, что при­водит к периферийному
провару за площадью отпе­чатка пуансона. Но при этом возникают технические затруднения, связанные с созданием двух высоких давлений на малой по­верхности и устранением затекания металла между пуансоном и прижимом.

Этот способ позволяет сваривать низкопластичные мате­риалы.

Ввиду простоты способа точечной холодной сварки, специальные машины для ее выполнения развития не полу­чили. Сварку успешно выполняют на самых различных се­рийных прессах с использованием кондукторов, надежно фиксирующих свариваемые заготовки, чтобы исключить их коробление.

Холодная шовная (роликовая) сварка характеризует­ся непрерывностью монолитного соединения. По механиче­ской схеме эта сварка аналогична холодной сварке прямо­угольными пуансонами (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Схема холодной шовной сварки

Собранные заготовки 1 устанавливаются между ро­ликами 2 и сжимаются ими до полного погружения рабочих выступов 3 в металл. Затем ролики приводятся во вращение. Перемещая изделие и последовательно внедряясь рабочими выступами в металл, они вызывают его интенсивную де­формацию, в результате которой образуется непрерывное монолитное соединение - шов.

Шовная сварка бывает двусторонняя, односторонняя и несимметричная. Двусторон­няя сварка выполняется одина­ковыми роликами. При одно­сторонней сварке один ролик имеет выступ, высотой равной сумме выступов при двусто­ронней сварке, а второй - яв­ляется опорным, без рабочего выступа. При несимметричной сварке ролики имеют различ­ные по размерам, а иногда и по форме рабочие выступы.

Односторонняя роли­ковая сварка чаще применяет­ся при сварке разнородных ме­таллов с большим отличием твердостей. Рабочая часть ролика вдавливается в более твердый металл. Такая сварка при прочих равных условиях обеспечивает более прочные швы и при сварке однородных металлов.

При роликовой сварке металл свободно течет вдоль оси шва. Это затрудняет создание достаточного напряжен­ного состояния металла в зоне соединения. Поэтому для достижения провара требуется большая пластическая де­формация (на 2÷6 %), чем при точечной сварке. Напряжен­ное состояние в зоне роликовой сварки можно повысить, увеличивая диаметр роликов. Обычно диаметр ролика бли­зок к 50 δ, ширина рабочего выступа (1÷1,5) S, высота (0,8÷0,9) δ, а ширина опорной части ролика, ограничиваю­щая деформации, в 2÷3 раза больше ширины рабочего вы­ступа. Роликовая сварка алюминия толщиной 1,0 мм при свариваемости 27 % выполняется со скоростью до 8÷12 м/мин.

Для роликовой сварки используются металлорежущие станки, например, фрезерные. При сварке тонких пла­стичных металлов применяются ручные настольные станки.

Одна из первых схем холодной стыковой сварки ме­таллов, которая не потеряла практического значения до сих пор, приведена на рис. 2.5,а. Эта схема сварки разработана К.К. Хреновым и Г.П. Сахацким.

Рис. 2.5. Схемы холодной стыковой сварки

В корпусе 1 имеются гнез­до для неподвижного конусного зажима 2 и направляющие для подвижного корпуса 3, в котором также расположен ко­нусный зажим. После предварительной зачистки торцов, де­тали 4 устанавливаются в зажимы 2, которые имеют форми­рующие части с режущими кромками 5 и упором 6. Осадоч­ное усилие прикладывается к ползуну 3, при его перемеще­нии сжимаются торцы деталей и зажимаются с помощью конусов. В процессе осадки углубления 7 заполняются ме­таллом раньше, чем встречаются опорные части 6. Поэтому, когда встречаются опорные части, в зоне сварки создается достаточное напряженное состояние. В стыке происходит провар, а остаток вытекающего металла отрезается кромка­ми 5. В зависимости от расположения режущих кромок со­единение может быть с усилением или без усиления.

Схема стыковой сварки, предложенная С.Б. Айбиндером, приведена на рис. 2.5, б.

Режим стыковой сварки определяется припуском на сварку или установочной длиной L = l ₁ + l ₂; усилием зажа­тия; давлением (усилием) осадки; скоростью деформирова­ния или скоростью осадки.

При сварке заготовок из однородных металлов рав­ного сечения L =2 l. Величина l составляет для алюминия - (0,8÷l,2) d, меди - (l,25÷l,75) d; свинца (l,0÷l,2) d; где d - диа­метр или толщина заготовок.

Усилие зажатия должно исключить возможность те­чения (сдвига) металла в зажимах по всему сечению свари­ваемых заготовок, и оно составляет (1,45÷1,6) Р _ос, где Р _ос -усилие осадки.

Удельное давление осадки зависит от природы и структурного состояния металла, сечения заготовки, формы и размера формирующих устройств, скорости осадки. Удельные давления обычно находят опытным путем. На­пример, для алюминия оно составляет 450÷850 МПа, а для меди - 1050÷1450 МПа.

Осадку в начале желательно вести с плавной скоро­стью, а затем скорость может возрастать, например, до 100 мм/с. Любая скорость осадки должна, прежде всего, обеспе­чить симметричную одновременную деформацию свари­ваемых заготовок.

В машиностроительной промышленности основная часть работ по стыковой сварке выполняется с помощью специальных устройств и приспособлений на существую­щих прессах. В электротехнической промышленности для различных способов электромонтажа выпускаются ручные инструменты, настольные станки и машины.

Для сварки алюминиевых проводов сечением 2,5÷10 мм² и медных - сечением 2,5÷4 мм² разработаны ручные клещи КС-6. Настольный станок СНС-3 позволяет свари­вать алюминиевые и медные провода сечением до 25 мм².

Процесс холодной стыковой сварки чисто механиче­ский, он удобен для автоматизации. В ИЭС им. Е.О. Патона разработан полуавтомат, который используется в условиях поточного производства. В этой установке оператор произ­водит только укладку деталей в ручьи зажимов, а операции зажатия, отрезки концов, осадку, перехват в случае повтор­ной осадки, вторую осадку, удаление грата, раскрытие за­жимов и выталкивание производится автоматически. Полу­автомат позволяет сваривать алюминиевую проволоку се­чением до 90 мм² и медную - сечением до 30 мм².

Разработана серия машин МСХС и МХСД с гидрав­лическим приводом. Они отличаются низкой мощностью тока, применяемого лишь для привода гидравлического на­соса. Так, машина МСХС-35 сваривает медь сечением до 150 мм², потребляя мощность 1,7 кВт. При контактной стыковой электросварке меди такого сечения требуется мощ­ность 75÷80 кВт. Производительность машин достигает 60 и 100 сварок в час. Машины МХСД-40 и МХСД-80 предна­значены для сварки троллейных проводов и фидеров тяго­вых подстанций, они развивают усилие осадки до 400 и 800 кН соответственно.

3. СВАРКА ВЗРЫВОМ

Сварка взрывом - новый перспективный технологи­ческий процесс, позволяющий получать биметаллические заготовки и изделия практически неограниченных размеров из разнообразных металлов и сплавов, в том числе тех, сварка которых другими способами затруднена.

Сварка взрывом - процесс получения соединения под действием энергии, выделяющейся при взрыве заряда взрывчатого вещества (ВВ). Принципиальная схема сварки взрывом приведена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Угловая схема сварки взрывом до начала (а) и в стадии взрыва (б)

Неподвижную пластину (основание) 4 и метаемую пластину (облицовку) 3 распола­гают под углом α 2÷16 ° на заданном расстоянии h 2÷3 мм от вершины угла. На метаемую пластину укладывают заряд 2 ВВ. В вершине угла устанавливают детонатор 1. Сварка производится на опоре 5.

После инициирования взрыва детонация распростра­няется по заряду ВВ со скоростью D нескольких тысяч мет­ров в секунду.

Под действием высокого давления расширяющихся продуктов взрыва метаемая пластина приобретает скорость V _h порядка нескольких сотен метров в секунду и соударя­ется с неподвижной пластиной под углом γ, который уве­личивается с ростом отношения V_h/D. В месте соударения возникает эффект кумуляции - из зоны соударения выбра­сывается с очень высокой скоростью кумулятивная струя, состоящая из металла основания и облицовки. Эта струя обеспечивает очистку свариваемых поверхностей в момент, непосредственно предшествующий их соединению. Со сва­риваемых поверхностей при обычно применяемых режимах сварки удаляется слой металла суммарной толщины 1÷15 мкм.

Соударение метаемой пластины и основания сопро­вождается пластической деформацией, вызывающей мест­ный нагрев поверхностных слоев металла.

В результате деформации и нагрева происходит раз­витие физического контакта, активация свариваемых по­верхностей и образование соединения.

Исследование пластической деформации в зоне со­ударения по искажению координатной сетки показало, что прочное соединение образуется только там, где соударение сопровождается взаимным сдвигом поверхностных слоев метаемой пластины и основания. Там же, где взаимный сдвиг отсутствовал, и в частности в зоне инициирования взрыва, прочного соединения не было получено. Очевидно, что «лобовой» удар метаемой пластины в основание без тангенциальной составляющей скорости и сдвиговой деформа­ции в зоне соединения не приводит к сварке.

Процесс сварки взрывом определяется: скоростью метания пластины V _h, углом соударения γ;давлением, длительностью соударения, температурой в зоне соударе­ния.

Технологически режим сварки задают: скоростью детонации D; безразмерным параметром r, представляю­щим собой отношение , (где m _вв и m _пл - масса заряда и метаемой пластины; δ ₀и ρ ₀ - высота и плотность заряда; δ _lи ρ ₁- толщина и плотность метаемой пластины); величиной сварочного зазора h.

Детонация - это процесс разложения ВВ с выделени­ем газов и тепла. Скорость детонации D определяется типом ВВ, его плотностью и толщиной слоя. В гомогенных заря­дах скорость детонации растет с увеличением плотности по линейному закону. В некоторых неоднородных (смесевых) ВВ скорость детонации растет с увеличением их плотности до определенного значения, а при дальнейшем уплотнении - снижается. С увеличением толщины заряда скорость дето­нации повышается, достигая своего максимального значе­ния при некоторой предельной' толщине, различной для многих ВВ.

При дозвуковой скорости детонации D < C _o (где С _о - скорость звука в свариваемом металле) под действием крат­ковременного импульса давления газов (продуктов разло­жения ВВ) и сжимающих напряжений на поверхности ме­талла успевает развиваться пластическая деформация, час­тично поглощающая энергию, вводимую в металл при взрыве. Волна разгрузки (растягивающих напряжений), возникающая при окончании сжатия, вызванного давлением газообразных продуктов детонации, имеет сравнительно небольшую амплитуду и, как правило, не опасна ни для ме­талла, ни для сварного соединения.

В случае сверхзвуковой скорости детонации D > С _о пластическая деформация не развивается. В металле возни­кают локализованные падающие и отраженные ударные волны, которые медленно затухают и могут приводить к по­вреждению металла.

Типичные разрушения в металле при детонации, находящегося в контакте с ним взрывчатого вещества, приведены на рис. 3.2.

Трещины 1 обусловлены резкими изменениями ско­ростей частиц в металле в зоне инициирования взры­ва. Осевая трещина 2 по­является при встрече ударных волн растяжения, отраженных от боковых поверхностей заготовки. Трещина 3 возникает при достижении критического напряжения в месте встре­чи падающей волны сжатия с отраженной волной растяжения. Угловое разрушение 4 связано со встречей на биссектрисе угла двух волн растя­жения, отраженных от боковой и нижней граней заготовки.

Рис. 3.2. Типичные разрушения металла под действием ударных волн

При сварке взрывом ВВ выбирают таким, чтобы ско­рость детонации была меньше скорости звука в соединяе­мых металлах и находилась в диапазоне от 1500 м/с до С _о. Скорость звука, например, в стали - 5900 м/с, в алюминии - 6260 м/с, в меди - 4700 м/с, а скорость детонации различных сортов аммонитов находится в пределах от 2500 до 6000 м/с, аммиачной селитры - 1800 м/с, гексогена - 6600 м/с. В отечественной и зарубежной практике в качестве ВВ при­меняют игданиты (смесь аммиачной селитры с дизельным топливом). С увеличением содержания дизельного топлива скорость детонации падает.

Скорость детонация при сварке взрывом определяет нормальную скорость V _h, развиваемую метаемой пласти­ной, и давление в очаге сварки при соударении пластин.

При недостаточной V _h соединение получается непрочным или провар может отсутствовать полностью. Так, для свар­ки сталей V _h ≥ 500÷700 м/с. При очень высокой скорости V _h в облицовке и основании возможно образование трещин под действием ударных падающих и отраженных волн.

Скорость метаемой пластины может быть определе­на по зависимости:

.

В практически применяемом диапазоне режимов сварки r = 0,6÷4,2, a V _h = (0,16÷0,25) D.

Скорость соударения зависит от зазора h. При h =0 V _h равна нулю и сварка, как правило, не происходит. Величина h не должна быть меньше 2÷3 мм. Больший зазор ухудшает качество соединения. При очень большом зазоре вообще не происходит сварка.

Соединяемые поверхности перед сваркой должны быть чистыми (в особенности по органическим загрязнени­ям), так как ни действие кумулятивной струи, ни вакуумная сдвиговая деформация при соударении полностью не ис­ключают вредного влияния таких загрязнений.

Исследование влияния начальных параметров режи­ма сварки (D, h и r) на качество соединения низкоуглероди­стой и хромоникелевой сталей показало, что по мере воз­растания значения аргумента в функции σ_отр = f(D, h, r) на кривых (рис. 3.3, а) можно выделить три области: с низкой прочностью (ориентировочно D <1800 м/с; h <3-5 мм; r <1,1); с оптимальной прочностью и бездефектной структурой со­единения (D =2000÷3000 м/с; h = 5÷12 мм; r = 1,1÷1,5) и с по­вышенной прочностью в результате наклепа свариваемых поверхностей, но с наличием дефектов и трещин (D>3000 м/с; h >>12 мм; r >1,6). Выбор режимов должен осуще­ствляться по характеристикам, как прочности, так и струк­туры соединения (отсутствие трещиноподобных дефектов и нарушений регулярной конфигурации).

Рис. 3.3. Зависимость прочности соединения на отрыв от скорости де­тонации (а), величины сварочного зазора (б) и параметра г (в)

Одной из основных технологических задач, во мно­гом определяющих качество соединения, является выдер­живание исходного сварочного зазора. Сварка с нулевым зазором практически невозможна. Особенно актуальна эта задача при плакировании больших поверхностей тонкими листами (1÷5 мм). Сварочный зазор может быть обеспечен подвешиванием верхнего листа на тесемках и проволоке, с использованием металлических шариков, прокладок, спира­лей, тонких металлических гофрированных пластинок, на­несением на одной из поверхностей механической обработ­кой острых зубцов. Широкое практическое применение при плакировании крупногабаритных листов получили V -образные металлические опоры, изготовленные из листа тол­щиной 0,1÷0,2 мм. Зазор между листами перед началом про­цесса может быть создан за счет нагнетания между ними сжатого газа (избыточное давление 4÷10 Па), не вступающе­го в химическое взаимодействие со свариваемыми металла­ми, но определенная трудность при этом связана с гермети­зацией зазора.

Для повышения жесткости тонких металлических листов (фолы), необходимой для создания и выдерживания зазора, их крепят любым известным способом (например, точечной сваркой) к металлической пластине. А чтобы они не сварились между собой при взрыве, между ними наносят тонкий слой смазочного материала.

Поверхность плакирующего листа, находящегося в контакте с зарядом ВВ, может повреждаться вследствие бризантного действия заряда. Для защиты поверхности ре­комендуется между зарядом и плакирующим листом поме­щать буферный слой, например, из полиэтилена, линолеума, резины и т.п.

Сварка взрывом дает возможность сваривать практи­чески любые металлы. Однако последующий нагрев сва­ренных заготовок может вызвать интенсивную диффузию в зоне соединения и образование интерметаллидных фаз. Об­разование интерметаллидов приводит к снижению прочно­сти соединения, которая при достаточно высоких темпера­турах может снизиться практически до нуля.

Для предотвращения этих явлений сварку взрывом проводят через промежуточные прослойки из металлов, не образующих химических соединений со свариваемыми ма­териалами. Например, при сварке титана со сталью исполь­зуют в качестве промежуточного материала ниобий, вана­дий или тантал.

Сварка взрывом применяется для плакирования стержней и труб внутренних поверхностей цилиндров и ци­линдрических изделий.

При плакировании стержней трубу 1 (рис. 3.4, а) ус­танавливают с зазором на стержень 2.

Рис. 3.4. Схема плакирования взрывом стержня (а) и внутренней по­верхности трубы (б)

Внутреннюю поверх­ность трубы и наружную поверхность стержня механически обрабатывают и обезжиривают. На наружную поверхность трубы помещают заряд взрывчатого вещества 3, иницииро­вание которого производят по всему сечению одновременно так, чтобы взрыв распределялся по заряду нормально его оси. Для создания такого фронта используют конус из ВВ с детонатором 4 в его вершине. Для изоляции зазора от про­дуктов детонации и центрирования трубы относительно стержня в верхней ее части устанавливается металлический конус 5. В случае плакирования трубных заготовок 6 внутрь их устанавливается стержень 2. Толщина плакирующей трубы может быть от 0,5 до 15 мм, а диаметр теоретически не ограничивается.

При плакировании внутренних поверхностей исполь­зуется другая схема (рис. 3.4,б). Она предусматривает размещение плакируемой трубы 1 в массивной матрице 2. Внутрь трубы 1 с зазором устанавливается плакирующая труба 3 с заря­дом ВВ 4, инициируемого детонатором 5.

Для внутреннего плакирования крупногабаритных труб и цилиндрических изделий ответственного назначения применяют вместо массивной матрицы 2 дополнительный заряд, расположенный на наружной поверхности плакируе­мого цилиндра и взрываемый одновременно с внутренним зарядом.

Эффективным процессом соединения тонких листов внахлестку является точечная сварка, осуществляемая по схеме (рис. 3.5). Свариваемые листы 1 и 2 собираются на опоре 3. На верхний лист устанавливается через буферную прокладку 4 цилиндрический заряд ВВ 5, взрываемый детонатором 6. После взрыва образуется соединение в виде кольца, внутренний диаметр которого несколько меньше наружного диаметра заряда.

Рис. 3.5. Точечная сварка взрывом

В ряде случаев при сварке пластин используется схема, при которой перед сваркой отгибается конец метае­мой пластины (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Схема сварки с отгибом пластины

Отгиб осуществляется на длине 100÷150 мм под углом 2°. Сварочный зазор на участке па­раллельного расположения метаемой пластины и основания составляет 6÷8 мм. Эта схема сварки позволяет сохранить постоянство параметров процесса по всей облицовываемой поверхности. Это обеспечивает более стабильное качество соединения по сравнению с угловой схемой (рис. 3.1).

В современных процессах металлообработки взрывом применяют заряды ВВ массой от нескольких граммов до сотен килограммов. Большая часть энергии, выделяющейся при взрыве, излучается в ок­ружающую среду в виде ударных волн, сейсми­ческих возмущений, разлета осколков и т.д. Воздушная ударная вол­на - наиболее опасный поражающий фактор взрыва. Поэтому сварку взрывом производят на полигонах (открытых и подземных), удаленных на значительные расстояния от жилых и промышленных объектов, и во взрыв­ных камерах.

Преимуществом работы на открытых полигонах яв­ляется возможность взрыва заготовок практически неогра­ниченных габаритных размеров.

Открытый полигон представляет собой площадки, имеющие соответствующее оснащение для взрыва заряда ВВ, укрытия для тихоходной техники на период взрыва, склад взрывчатых материалов и железнодорожную ветку. Вся подготовка заготовок к взрыву (зачистка, мойка, сбор­ка) производится в цехе, собранные пакеты железнодорож­ным транспортом доставляются на разгрузочные площадки полигона, откуда автотранспортом - к месту взрыва. После сварки взрывом по той же цепочке заготовки доставляются в цех, где проходят контроль и, при необходимости, терми­ческую обработку. В ряде случаев цех для подготовки заго­товок к взрыву находится на полигоне. При проведении ра­бот в полевых условиях возможно попадание песка, пыли, влаги на свариваемые поверхности, что отрицательно ска­зывается на качестве соединения. Определенные трудности связаны с раскладкой сыпучих ВВ при ветре и осадках. В условиях отрицательных температур возможно разрушение заготовок вследствие снижения ударной вязкости металлов.

Определенные преимущества есть у подземных по­лигонов. Работа на них не зависит от времени года и погод­ных условий, обеспечивается локализация поражающих факторов. Взрывные камеры, выполненные в породах высо­кой прочности, имеют габаритные размеры: длина 5,4÷8,0 м, ширина 3,5÷3,8 м, высота 2,5÷2,8 м. Для хранения материа­лов, заготовок и готовой продукции на полигоне оборудо­ван склад, расположенный в 100 м от взрывных камер. Лис­ты основания в сборе с плакирующим листом, на котором уложен заряд ВВ, подаются в камеру специальным транс­портом в виде массивной платформы по железнодорожным путям, снабженным устройством дня амортизации удара в момент взрыва. После взрыва и продувки камеры для уда­ления газообразных продуктов детонации платформу с плакированным изделием выкатывают из тоннеля. Недостат­ками подземных участков являются ограниченные размеры свариваемых заготовок, повышенная влажность воздуха, возможность разрушения камер от систематического под­рыва зарядов, высокая себестоимость продукции.

Для локализации поражающих факторов взрыва применяют замкнутые бетонные конструкции, как правило, углубленные в землю. Например, в США используют желе­зобетонные камеры диаметром 12 м, высотой 8 м при тол­щине стенки 0,61 м. Камера рассчитана на подрыв заряда ВВ массой до 23 кг. Подрыв заряда производится на сталь­ной плите размером 2,4×1, 8×1,5 м.

Более перспективно для локализации поражающих факторов взрыва использовать металлические взрывные ка­меры, которые бывают цилиндрическими с горизонтальным и вертикальным расположением оболочки, и сферические. Сферические взрывные камеры диаметром 10,5 м с толщи­ной стенки 20 мм из стали 09Г2С рассчитаны на заряд ВВ массой до 50 кг.

На качество сварного соединения существенно влия­ет опора, на которой устанавливается изделие. Главным требованием, предъявляемым к опоре, является долговеч­ность при хорошем отводе ударных волн и минимальных остаточных деформациях изделия. Опора должна быть при­годной для размещения на ней изделий различной формы и габаритных размеров, а также обладать несжимаемостью для обеспечения обрезания краевых свесов лис

Поиск по сайту: