СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ ПЛОСКОЙ БИМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЗАГОТОВКИ

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при изготовлении плоских биметаллических заготовок из разнородных металлов.

Сварка взрывом - 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. Так, получение крупногабаритных заготовок биметаллов титан-сталь, алюминий-сталь, цирконий-сталь и многих других возможно только с помощью сварки взрывом.

Сварка взрывом относится к разновидности сварки давлением, когда давление создается продуктами детонации взрывчатого вещества (далее - ВВ). Соединяемые детали, например пластины, одна из которых неподвижна (плакируемая пластина), располагают на некотором расстоянии (или под определенным углом) друг от друга. На подвижную деталь (метаемая, плакирующая пластина) кладут взрывчатое вещество с детонатором. При срабатывании детонатора происходит процесс разложения взрывчатого вещества, создавая давление, распространяющееся позади фронта детонации.

Решающую роль в формировании сварного соединения играет пластическая деформация металла в околошовной зоне, распределяющаяся экспоненциально по толщине свариваемых деталей и достигающая вблизи линии соединения сотен процентов.

Благодаря малому времени образования сварного соединения, недостаточному для протекания активных диффузионных процессов на межслойных границах, способ сварки взрывом обладает уникальными возможностями соединения не свариваемых обычными методами сплавов и металлов.

Как правило, качественное соединение металлов достигается путем соблюдения точного баланса между подводимой кинетической энергией метаемой пластины и поглощаемой энергией, затрачиваемой на необходимую и достаточную совместную пластическую деформацию сопрягаемых поверхностей метаемой и неподвижной пластин.

При недостатке энергии не происходит качественного сплошного соединения или соединения вообще, при избытке энергии избыточная часть затрачивается на эндотермические реакции образования инородных включений (карбиды, нитриды, интерметаллиды), образование зон оплавления на границе раздела и деформацию самих пластин.

Для снятия напряжений, возникающих при сварке взрывом, применяют отпуск готового изделия, в результате чего прочность соединения неизбежно уменьшается и тем больше, чем больше содержание расплавов.

Методы испытаний и оценки микроструктуры, например, для сталей регламентируются стандартом - ГОСТ10243-75.

Наиболее проблематично соединение пар металлов с существенно различающейся температурой плавления, таких как стали и алюминиевые сплавы, стали и твердые бронзы и латуни, стали и титановые сплавы.

Температура плавления сталей находится на уровне 1530°С, температура плавления алюминиевых сплавов - на уровне 660°С, бронз и латуней - 85÷1000°С, при этом прочность плакирующего металла близка или превышает прочность стали, с которой осуществляется соединение. При данном сочетании свойств соединяемых металлов происходит неизбежное значительное оплавление металла с более низкой температурой плавления.

По этой причине, например, соединения стали и алюминиевых сплавов марок АМг5, АМг6 промышленно не производят сваркой взрывом, так как при взрывном сопряжении пластин происходит полное разрушение кристаллической решетки алюминиевого сплава и переход в расплав значительной части металла, время остывания которого в разы больше, чем время действия продуктов детонации любых известных взрывчатых веществ и смесей.

Таким образом, для получения конструкционного биметалла с высокими эксплуатационными и прочностными свойствами необходимо поглотить избыток энергии и достигнуть энергетического баланса между подводимой и поглощаемой энергией для получения строго дозированной пластической деформации сопрягаемых металлов.

Известные ВВ не дают возможности широкого варьирования времени и скорости действия продуктов детонации и не позволяют успешно решить эту задачу и соответственно обеспечить качественную сварку металлов с неблагоприятным сочетанием физических и механических свойств в условиях промышленного производства.

Известен способ плакирования сваркой взрывом, включающий зачистку свариваемых поверхностей плакируемого и плакирующего (метаемого) металлических листов, установку на дистанционные опоры плакирующего листа над плакируемым листом на расстоянии сварочного зазора, раскладку на плакирующем листе слоя заряда взрывчатого вещества с системой инициирования (см. патент RU №2237558, B23K 20/08, F42D 5/045, 2004).

Способ дополнительно содержит раскладку первого слоя сыпучего материала на слое заряда взрывчатого вещества и над ним второго слоя сыпучего материала или слоя воды через воздушный зазор, инициирование заряда взрывчатого вещества и сварку плакирующего и плакируемого листов энергией взрыва. Причем толщину первого слоя сыпучего материала принимают равной от 1 до 3 толщин слоя заряда взрывчатого вещества, второго слоя сыпучего материала или слоя воды - от 3 до 5 толщин слоя заряда взрывчатого вещества, воздушного зазора - от 2 до 4 толщин слоя заряда взрывчатого вещества.

Недостатком данного способа является то, что он не дает положительного эффекта, если разнородные металлы соединяемых пластин имеют существенно отличающиеся температуры плавления, так как в этом случае за счет повышения давления и длительности его действия вероятность обширного оплавления увеличивается.

Известен также способ сварки взрывом, основанный на установке с зазором метаемой пластины над неподвижной пластиной и инициировании заряда ВВ, расположенного над метаемой пластиной (см. патент RU №2243871, B23K 20/08, 2005).

Причем предварительно производят обработку поверхностей свариваемых пластин до шероховатости Rz, равной 8,0÷42,0 мкм, а сварку осуществляют давлением продуктов детонации, время действия которых превышает время остывания расплавленных на глубину более 2 мкм поверхностных слоев пластин.

Способ позволяет снизить уровень нагрузок, необходимых для разгона метаемой пластины (нет необходимости в обеспечении высокой скорости соударения, необходимой для превышения предела текучести материала).

Однако при таком способе сварка сопрягаемых поверхностей пластин достигается посредством их оплавления, что отрицательно сказывается на конструкционной прочности такого соединения, так как расплав является инородной структурой по отношению к структуре металлов обоих пластин.

Известен способ сварки взрывом для изготовления многослойного соединения из алюминиевого сплава, чистого промышленного алюминия, серебряной пластины и нержавеющей стали (см. патент JP №9029463, B23K 20/08, 1997).

В данном техническом решении чистый алюминий используют для поглощения ударного воздействия.

Недостатком известного способа является ограниченная область применения такого решения, так как оговариваются составные части соединения и его нельзя использовать для других биметаллов.

Известен также способ изготовления металлических композиционных материалов, обрабатываемых при высоких температурах (см. патент US №2001054638, B23K 20/08, 2001).

Данный способ позволяет предотвратить образование хрупких интерметаллических соединений за счет применения дополнительной прослойки из тантала или ниобия, не образующих интерметаллиды.

Однако известный способ технически сложен и дорог, не позволяет получать биметаллические листы большой площади.

Известен способ получения композиционного сталеалюминиевого переходника, включающий сварку взрывом стального плакируемого листа с двумя плакирующими листами из алюминия (см. патент RU №2270742, B23K 20/08, 2006).

При этом плакируемый стальной лист предварительно хромируют до получения по всей поверхности слоя толщиной 0,03÷0,07 мм, а при приварке первого плакирующего листа заряд помещают в закрытый контейнер, разделенный в направлении фронта детонации на отдельные прямоугольные секции шириной не более двух высот заряда.

Данное технического решение способствует стабилизации скорости детонации ВВ вблизи ее минимального значения, что позволяет улучшить качество сталеалюминиевых переходников, однако способ имеет ограниченное применение.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ изготовления сваркой взрывом композиционного материала, состоящего из неподвижной детали (подложки), промежуточного слоя из металла, совместимого с материалом подложки, и метаемой детали (оболочки) (см. патент WO №2004060599, B23K 20/08, 2004).

Способ включает размещение свариваемых деталей с зазором между ними, размещение над верхней деталью заряда ВВ, использование дополнительного промежуточного слоя (средства) для смягчения ударного воздействия взрыва, инициирование заряда ВВ.

Данный способ позволяет создать плоские поверхности раздела между элементами сварной конструкции, предотвращает возникновение вредных волн, образующих трещины в этой конструкции, а также образование интерметаллических включений на поверхности раздела.

Недостатками известного решения является то, что промежуточный слой, смягчающий воздействие взрыва, остается составной частью получаемого биметаллического соединения и является «слабым» элементом композиции, понижающим эксплуатационные характеристики биметалла, также существуют ограничения на размеры свариваемых деталей и сложность размещения промежуточного слоя при изготовлении крупногабаритных заготовок.

Технической задачей изобретения является создание нового способа изготовления биметаллических заготовок с высокими характеристиками прочности и качества сварного соединения для металлов с существенно различающейся температурой плавления.

Технический результат заявляемого решения заключается в повышении качества соединения деталей заготовки путем снижения энергии удара, действующего на сопрягаемые поверхности, за счет компенсации упругой деформации и ограничения амплитуды упругих колебаний, действующих на детали от момента их первого соприкосновения до окончания действия волны давления.

Для достижения указанного технического результата в способе изготовления сваркой взрывом плоской биметаллической заготовки, основанном на установке с зазором метаемой пластины над неподвижной пластиной и инициировании заряда взрывчатого вещества, расположенного над метаемой пластиной, включающем использование дополнительного средства для снижения скорости пластической деформации пластин, согласно предложению в качестве дополнения используют демпфирующее средство, выполненное под неподвижной пластиной и состоящее из легко деформируемой прослойки, обладающей свойством односторонней неупругой деформации, и искусственной опорной площадки, изготовленной из материала с равномерно распределенной плотностью, превышающей плотность легко деформируемой прослойки.

Также согласно предложению используют легко деформируемую прослойку, обладающую способностью изменять агрегатное состояние под действием давления, а между легко деформируемой прослойкой и опорной площадкой размещают, по крайней мере, одну дополнительную демпфирующую прослойку.

Экспериментально установлено, что заявляемый способ, во-первых, позволяет компенсировать упругое сжатие пришедших в контакт пластин и их последующее упругое расширение, которое «стремится» разорвать возникшее соединение, находя в нем «слабое место».

В большинстве случаев таким «слабым местом» является незастывший расплав или его окисленная (из-за слишком высокой температуры для более легкоплавкого металла) поверхность.

Во-вторых, заявляемый способ дает возможность ограничить амплитуду упругих колебаний, действующих на пластины от момента их первого соприкосновения до окончания действия волны давления.

Совместно эти два фактора обеспечивают снижение энергии удара, действующего на сопрягаемые поверхности до уровня, исключающего обширное оплавление сопрягаемых поверхностей, позволяют существенно ограничить образование карбидов, нитридов и интерметаллидов, как следствие, эндотермических реакций при повышенной температуре.

Компенсация упругой деформации позволяет наиболее эффективно провести совместную пластическую деформацию поверхностей свариваемых пластин за счет плавного нарастания импульса давления, увеличения времени его действия и исключения одновременного действия процессов упруго расширения и упругих колебаний.

Наличие демпфирующего средства, состоящего из легко деформируемой прослойки (далее - ЛДП), обладающей свойством односторонней неупругой деформации, и опорной площадки из материала с более высокой плотностью, приводит к тому, что производная от скорости пластической деформации не меняет знак за все время действия импульса давления вплоть до его окончания. Длительность воздействия импульса давления затягивается на время деформации (разрушения) прослойки, а амплитуда импульса уменьшается. Взаимное размещение свариваемых пластин и демпфирующего средства схематично представлено на фиг.1.

Для подтверждения эффективности такого решения приводим оценочные значения времени протекания процессов, составляющих способ сварки взрывом в целом, полученные в соответствие с методикой, изложенной в книге «Сварка взрывом», В.И.Лысак, С.В.Кузьмин. М.: «Машиностроение-1», 2005, стр.23-29.

Продолжительность образования соединения в целом составляет 10^-6 с.

Условие получения прочного качественного соединения при сварке взрывом, учитывающее основные параметры процесса и свойства свариваемых материалов, представлено выражением

tв>ta≥tp,

где tв - время взаимодействия (действия контактных напряжений);

ta - время активации поверхности (зависит от свойств составляющих кристаллическую решетку атомов), оценивается как ta равно 10^-8÷10^-7 с;

tp - время релаксации, оценивается как tp равно 10^-7 с.

Вертикальная скорость соударения пластин оценивается в среднем как Vb равно 500 м/с.

При использовании легко деформируемой прослойки (например, из пенополиэтилена и т.п.) толщиной 1÷2 мм время окончательного сжатия пластин возрастает на 2×10^-6÷4×10^-6 с, что полностью удовлетворяет всем условиям и легко практически реализуется.

В этом случае не возникает пикового давления как результата мгновенного торможения о плотную преграду. На это же время сжатие и последующее расширение сдвигаются по фазе, что приводит к значительным потерям энергии, и амплитуда обратного расширения падает до безопасного для возникшего сварного соединения уровня. Уже наличия одной легко деформируемой прослойки достаточно, чтобы обеспечить новый качественный уровень процесса сварки взрывом.

Эксперименты показали, что дополнительные возможности для обеспечения продолжительного контакта свариваемых пластин с сохранением достигнутого в импульсе уровня давления дает применение активной прослойки, воспламеняющейся под действием импульса давления. В этом случае обе пластины находятся под действием давления газообразных продуктов как со стороны плакирующего, так и плакированного материала. Организуемый таким образом газовый демпфер действует еще более «мягко», что особенно важно для высокопрочных и легкоплавких материалов, например АМг6.

Также была решена задача сохранения достигнутого уровня качества сварки до полного завершения действующих факторов и гашения кинетической энергии готового изделия в целом и каждой его части в отдельности, так как пластин идеально плоской формы не существует. Стандартизованные допустимые отклонения от плоскостности составляют обычно 5 мм на метр пластины, что практически совпадает с величиной обычно применяемого зазора между пластинами.

Таким образом, участки пластин, отстоящие от условной средней линии каждой из них, в итоге приобретают большее или меньшее ускорение.

Скорость соударения в реальных условиях оказывается различной для каждого участка площади свариваемых пластин.

Принудительная деформация искажений формы приводит к «консервации» хаотично направленных упругих напряжений, действующих по касательной в плоскости сварки пластин. Следовательно, необходимо максимально возможно компенсировать действие этих вторичных, по отношению к собственно сварке двух поверхностей, факторов.

Под легко деформируемой прослойкой мы выполняем опорную площадку из материала более высокой плотности.

Как правило, в качестве опорной площадки используют спланированный грунт, скальное основание, массивную бетонную или металлическую плиту, которые также не бывают идеальной формы. В первом случае опорная площадка неоднородна по плотности, а в последующих примерах - обладает собственной упругостью.

Большинство производителей используют простое грунтовое или скальное основание, однако это приводит к локальной или глобальной деформации готового изделия, или как минимум образованию зон с локальными внутренними напряжениями, или даже зон с разрушенным соединением.

Таким образом, в реальных условиях полученное с хорошим качеством сварное соединение тут же нарушается, в результате чего участков площади пластин с эквивалентными друг другу параметрами соединения создать не удается.

Мы предлагаем рассеивать остаточную кинетическую энергию соединенных пластин, по крайней мере, на одной из дополнительных прослоек за счет их деформации или разрушения, как представлено на фиг.2.

Таким образом, первая легко деформируемая прослойка ЛДП обеспечивает качество собственно соединения (сварки) пластин, так как компенсирует упругую деформацию при сварке.

Последующие более плотные и вязкие дополнительные демпфирующие прослойки (далее - ДДП) из искусственного материала компенсируют пластическую деформацию уже готового соединения (и заготовки в целом), так как кинетическая энергия пластин расходуется не на деформацию заготовки, а на деформацию и разрушение второй и последующих прослоек ДДП.

ДДП повторяет форму свариваемых пластин, что позволяет сохранить форму пластин и избежать локальных перегибов.

В качестве ДДП можно использовать древесно-стружечные или волокнистые плиты, гипсокартон, специально уплотненные песчаные и комбинированные смеси и их сочетания. Материал, размеры и количество ДДП подбирают опытным путем.

В сумме набор из ЛДП, ДДП и опорной площадки образует многослойное демпфирующее средство.

Использование вышеуказанного демпфирующего средства позволяет поглотить избыток энергии и достигнуть энергетического баланса между подводимой и поглощаемой энергией для получения строго дозированной пластической деформации сопрягаемых металлов с существенно различающейся температурой плавления и получить биметалл с гарантированно высокими характеристиками прочности и качества сварного соединения, равномерно распределенными по всей площади биметаллического листа.

Способ иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 схематично представлено взаимное размещение свариваемых пластин и демпфирующего средства; на фиг.2 схематично представлено взаимное размещение свариваемых пластин и многослойного демпфирующего средства.

Следует учесть, что на чертежах представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа предложения, а сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертежах не представлено.

На чертежах проставлены следующие позиции:

1 - опорная площадка;

2 - легко деформируемая прослойка ЛДП;

3 - неподвижная пластина;

4 - зазор между пластинами;

5 - метаемая пластина;

6 - взрывчатое вещество ВВ;

7 - дополнительная демпфирующая прослойка ДДП.

Способ осуществляют следующим образом.

Для получения биметаллической заготовки изготавливают демпфирующее средство, состоящее из опорной площадки 1 и легко деформируемой прослойки 2 (фиг.1). Сначала формируют опорную площадку 1. На опорную площадку 1 укладывают легко деформируемую прослойку 2. Затем на нее устанавливают неподвижную (плакируемую) пластину 3. Над пластиной 3 с зазором 4 размещают метаемую (подвижную) пластину 5 и слой взрывчатого вещества 6. Затем производят детонацию слоя взрывчатого вещества 6.

Для изготовления многослойного демпфирующего средства между опорной площадкой 1 и легко деформируемой прослойкой 2 размещают, по крайней мере, одну дополнительную демпфирующую прослойку 7 (фиг.2).

Способ поясняется следующим примерами.

Пример 1.

Изготавливают опорную площадку из влажного песка, уплотненного вибратором. На опорную площадку укладывают легко деформируемую прослойку ЛДП из пенополиэтилена толщиной 2 мм. Затем на ЛДП устанавливают неподвижную (плакируемую) пластину из углеродистой стали толщиной более 25 мм, которая не подвержена риску обширной деформации. Над ней с зазором размещают метаемую подвижную пластину толщиной 3 мм и слой взрывчатого вещества ВВ. Производят детонацию слоя ВВ.

Пример 2.

Изготавливают опорную площадку из влажного песка, уплотненного вибратором. На опорную площадку укладывают дополнительную демпфирующую прослойку ДДП из древесно-стружечной плиты толщиной 22 мм. На ДДП укладывают легко деформируемую прослойку ЛДП из пенополиэтилена толщиной 2 мм. Затем на ЛДП устанавливают неподвижную (плакируемую) пластину из углеродистой стали толщиной менее 25 мм, которая подвержена риску обширной деформации. Над ней с зазором размещают метаемую (подвижную) пластину толщиной 10 мм и слой взрывчатого вещества ВВ. Производят детонацию слоя ВВ.

Пример 3.

Изготавливают массивную опорную площадку из стали. На опорную площадку укладывают легко деформируемую прослойку ЛДП из пенополиэтилена толщиной 2 мм. Затем на ЛДП устанавливают неподвижную (плакируемую) пластину из углеродистой стали толщиной 50 мм. Над ней с зазором размещают метаемую (подвижную) пластину из прочного алюминиево-магниевого сплава АМг6 толщиной 12 мм и слой взрывчатого вещества ВВ. Производят детонацию слоя ВВ.

За счет резкого сжатия ЛДП между опорной площадкой и неподвижной (плакируемой) пластиной происходит самовоспламенение ЛДП. Продукты сгорания ЛДП образуют «газовый демпфер», препятствующий резкому соударению неподвижной и метаемой пластин, что предотвращает обширное оплавление АМг6 и обеспечивает прочное качественное соединение.

Ранее соединение сплава АМг6 со сталью осуществляли только через слой мягкого чистого алюминия толщиной 2÷3 мм.

Высокий уровень качества биметаллических заготовок, полученных заявляемым способом, подтвержден заключениями экспертных организаций: ЦНИИ черной металлургии им. И.П. Бардина, ФГУП ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей».