Физическая природа образования соединения при сварке металлов взрывом

Сварка взрывом в силу присущих ей особенностей является эффективным способом создания широкого класса высококачественных слоистых металлических композитов.

При сварке взрывом соединение образуется под действием высокого давления без внешнего нагрева благодаря интенсивному пластическому течению металла в зоне шва, обеспечивающему образование физического контакта и схватывание металлов. Процесс сварки протекает практически мгновенно, вследствие чего выделяющаяся при деформации тепловая энергия не вызывает развития диффузионных процессов. В силу этого, а также из-за упрочнения металлов у границы раздела и волнообразного профиля последней прочность полученных соединений, как правило, превышает прочность свариваемых металлов.

Многочисленными теоретическими и экспериментальными исследованиями российских и зарубежных ученых доказано, что сварка взрывом представляет собой разновидность процесса соединения металлов в твердой фазе. При этом образование соединения происходит в результате деформационного воздействия на соединяемые материалы, характеризующегося высокой скоростью их соударения при малой длительности процесса и вызывающего трехстадийную топохимическую реакцию, в результате протекания которой конечные свойства получаемых соединений определяются степенью, характером и временем деформации.

К настоящему времени известно более 1250 технологических схем сварки взрывом. На рисунке 2.9 показана принципиальная схема сварки металлов взрывом. Свариваемые пластины располагают обычно параллельно (реже под небольшим углом) друг другу с некоторым зазором. На поверхности верхней метаемой пластины 2 располагают заряд 1 взрывчатого вещества (ВВ). Неподвижная пластина 3 укладывается через подложку 4 на основание 5.

После инициирования процесса детонации ВВ детонатором 6 фронт взрывчатого превращения распространяется по заряду / (см. рис. 2.9, б) со скоростью D, а продукты детонации, расширяясь с большой скоростью, заставляют метаемую пластину 2 перемещаться и соударяться под углом у с неподвижной пластиной 3 со скоростью Кс. Линия соударения движется вдоль пакета со скоростью точки контакта VK, равной скорости детонации взрывчатого вещества D. Наиболее часто используемые на практике диапазоны скоростей соударения и точки контакта равны Vc = 250—800 м/с и Ук = 1700—300 м/с.

Высокоскоростное косое соударение металлических тел сопровождается целым рядом специфических и уникальных физических явлений: волнообразование, кумуляция, ударные волны и др. Так, в зоне соударения свариваемых тел обычно фиксируются остаточные деформации металла в виде характерной волнообразной линии (рис. 2.10).

Природа образования волнообразного профиля границы соединения связана с фундаментальными изменениями свойств металлов, происходящими при таких высокоскоростных деформационных процессах под действием кратковременных, но высокоамплитудных давлений. В этих условиях металл в зоне соударения по своим свойствам в значительной мере уподобляется вязкопластической жидкости, что позволяет в первом приближении рассматривать соударение металлических пластин с позиций гидродинамики как взаимодействие (столкновение) двух струй жидкости.

Принципиальная схема сварки взрывом (а) и кинематика процесса соударения пластин (б)

Рис. 2.9. Принципиальная схема сварки взрывом (а) и кинематика процесса соударения пластин (б):

1 — заряд взрывчатого вещества; 2,3— метаемая и неподвижная пластины; 4 — подложка; 5 — основание; 6 — электродетонатор; 7 — поток кумулятивных частиц

Типичная микроструктура зоны соединения разнородных металлов

Рис. 2.10. Типичная микроструктура зоны соединения разнородных металлов

В классической гидродинамике косое соударение двух струй жидкости неминуемо приводит к образованию так называемого «обратного» массового (или кумулятивного) потока из точки контакта (рис. 2.11). При этом скорость кумулятивного потока (струи) У4 значительно превышает скорости столкновения струй У и У2.

Схема образования кумулятивной струи при соударении двух струй жидкости

Рис. 2.11. Схема образования кумулятивной струи при соударении двух струй жидкости

Подобные «обратные» потоки вещества, но только в виде облака дисперсных частиц, формируемого из поверхностных слоев соединяемых металлов, характерны и для сварки взрывом. Их роль в данном процессе соединения металлов, безусловно, положительна, так как свариваемые поверхности дополнительно очищаются от оксидов, отдельных загрязнений и т.п. Вместе с тем нельзя и преувеличивать роль кумуляции, поскольку при обычных режимах сварки из зоны контакта удаляются ничтожно малые количества вещества, что в свою очередь требует обязательной и тщательной зачистки контактных поверхностей перед сваркой.

При сварке взрывом, как и в любом другом способе соединения металлов в твердой фазе, образование металлических связей происходит за счет пластической деформации металла контактирующих поверхностей, обуславливающих здесь активационные процессы. Первыми исследователями сварки взрывом процессу волнообразования как явлению, интенсифицирующему пластическое течение металла в около- шовной зоне, отводилась решающая роль в механизме формирования соединения. Однако позднее было показано, что образование волн на границе раздела всего лишь яркий физический феномен, а качественная сварка может быть получена и в соединениях с безволновой границей.

При сварке взрывом остаточные сдвиговые пластические деформации металлаgmax локализуются в узкой околошовной зоне (0,5—3,0 мм) и при оптимальных условиях соударения их максимальные значения на линии раздела находятся в пределах 70—150%. Эпюры деформаций при сварке однородных металлов практически идентичны в обеих пластинах. При сварке разнородных металлов эпюра более прочного металла имеет меньшую площадь по сравнению с более мягким металлом. Деформации в твердом металле более локализованы, что количественно выражается в различной глубине охваченных пластическим течением слоев металлов. Таким образом, можно считать, что практически вся энергия, затраченная на пластическую деформацию металла, при сварке взрывом выделяется локализованно в очень узкой зоне, что и обеспечивает энергетическую «подпитку» активационных процессов на контактирующих поверхностях. А более глубоко лежащие слои металла при этом не испытывают сколь-либо значительного деформационного воздействия.

Такой характер пластического течения у границы соединения, естественно, предопределяет значительное упрочнение металла в этой зоне (рис. 2.12), степень которого зависит от фазового и химического состава свариваемых металлов, а также от типа их кристаллической решетки. Наибольшее упрочнение испытывают металлы, имеющие в своем составе твердые растворы в стабильном состоянии с полиэдрической структурой. Сплавы, обладающие мелкоблочной структурой с высокой плотностью дислокаций, упрочняются слабо.

Упрочнение металлов в околошовной зоне свариваемых взрывом биметаллов

Рис. 2.12. Упрочнение металлов в околошовной зоне свариваемых взрывом биметаллов

Огромные скорости процесса и крайне малые времена схватывания (~10~6 с) не позволяют развиваться диффузионным процессам у линии соединения. Поэтому стадия объемного взаимодействия при сварке взрывом практически отсутствует. Современные методы локального микрорентгеноспектрального анализа высокой разрешающей способности показывают, что диффузия металлов в околошовной зоне не происходит. Для нее нужна значительно большая временная протяженность, например такая же, как при диффузионной сварке, длительность которой на несколько порядков выше.

Отсутствие диффузионных процессов выгодно отличает сварку взрывом от других известных способов получения слоистых композитов, так как позволяет качественно соединять самые трудносваривае- мые композиции, такие как титан + сталь, цирконий + сталь и многие другие.

Исходя из вышеизложенного можно констатировать, что получение качественного сварного соединения при сварке взрывом контролируется уровнем развития активационных процессов, а значит, величиной доли кинетической энергии метаемой пластины, преобразованной в энергию W2, затрачиваемую на пластическую деформацию металла в околошовной зоне.

На рисунке 2.13 показана типичная идеализированная зависимость относительной прочности сварного соединения сё, равной отношению прочности соединения к прочности основного металла, от величины реализованной в околошовной зоне энергии пластической деформации W2. Аналогичный однотипный вид имеют зависимости относительной прочности сварного шва и от скорости соударения Кс, угла соударения у, массовых характеристик свариваемых элементов /и,. В области низкоинтенсивных параметров соударения (область I) сварное соединение образуется вследствие неразвитости активационных процессов на контактной границе. В области II активационные процессы уже способны привести к образованию пока еще неравнопрочных соединений. Оптимальные значения параметров соударения расположены между критическим IV2l(p и предельным lV2np значениями энергии, затрачиваемой на пластическую деформацию (область III).

Таким образом, сварное соединение между двумя металлами при сварке взрывом, как и в другом твердофазном процессе, образуется под действием приложенного к околошовной зоне определенного давления Р, существующего в течение некоторого времени т и вызывающего в ней развитие пластических деформаций, сопровождаемых локальным повышением температуры Т, как правило, не достигающей температуры плавления металла Т„л. Для каждого произвольного сочетания свариваемых металлов, их толшин существуют свои диапазоны оптимальных параметров процесса.

Типичная зависимость относительной прочности сварного соединения от величины энергии W, затраченной на пластическую деформацию металла

Рис. 2.13. Типичная зависимость относительной прочности сварного соединения от величины энергии W2, затраченной на пластическую деформацию металла

Дальнейшее увеличение энерговложения на границе раздела (область IV на рис. 2.13) приводит к развитию различных опасных видов химической и структурной неоднородности в виде расплавов, усадочных раковин, интерметаллидов и т.п.), вызывающих разупрочнение сварного соединения. При этом возрастающие по амплитуде ударные волны при неограниченном росте W2 неминуемо окончательно разрушат соединение по не успевшей закристаллизоваться прослойке расплава.

Другим важнейшим условием получения соединения является требование к величине скорости точки контакта Кк, которая при сварке взрывом не должна превышать скорость звука в металле си и при оптимальных параметрах находится в пределах Кк ~ (0,25—0,6) с0.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >