Сварка металлов взрывом, её сущность, определение, технология. Оборудование для сварки и её применение

Содержание

1. Сущность сварки взрывом
• Определение сварки взрывом
• Схемы сварки и описание процесса
• Физическая основа сварки взрывом
• Технологические возможности сварки взрывом
2. Технология сварки взрывом
• Требования к свариваемым материалам
• Подготовка к сварке
• Выбор режимов сварки
• Характеристика взрывчатых веществ для сварки взрывом
3. Оборудование и оснастка для сварки взрывом
• Оборудование и оснастка для сварки в полевых условиях
• Оборудование и оснастка для сварки на предприятияхе
4. Контроль качества сварных соединений
5. Видео: Сварка взрывом на Новосибирском заводе

Сварка взрывом - это относительно новый и во многих смыслах революционный вид сварки, который рядом существенных преимуществ, по сравнению с другими видами сварки, благодаря чему он получил достаточно широкое распространение на практике, как в России, так и за рубежом.

Дальнейшее развитие данного вида сварки предполагает применение новых технологий, обеспечивающих более высокую степень автоматизации и механизации всех стадий процесса, начиная от стадии подготовки и до непосредственного протекания процесса в специальных камерах.

Сущность сварки взрывом

Определение сварки взрывом

Сварка взрывом - это один из видов сварки давлением, который происходит за счёт воздействия энергии, выделяющейся при взрыве специальных взрывчатых веществ.

Схемы сварки и описание процесса

Принципиальная схема сварки взрывом показана на рисунке 1. Неподвижная пластина (поз. 4) и метаемая пластина (поз. 5) располагаются под углом ? друг к другу, на расстоянии h от вершины угла. На метаемой пластине располагается взрывчатое вещество (поз. 2), а на вершине угла располагается детонатор (поз. 1). Процесс сварки происходит на опоре (поз. 5). В качестве опоры может быть металл, земля, песок и другие вещества.

Метаемая пластина превосходит по площади основную пластину, это необходимо для минимизации эффекта бокового разлёта частей металла в процессе взрыва.

На практике наиболее распространена схема, когда угол равен 0°, так называемая, параллельная схема. Эти базовые схемы являются основой для всех технологических схем, разработанных для каждого конкретного случая (см. рис. 2).

Схема а - параллельная, для сварки многослойных изделий; б - плакирование наружной поверхности труб; в - эквидистантная схема; г - плакирование внутренней поверхности труб: д - плакирование крупногабаритных обечаек с противозарядом.

Позициями на рисунках обозначены: 1 - детонатор; 2 - заряд взрывчатого вещества; 3 - метаемый элемент; 4 - неподвижный элемент; 5 - опора; 6 - установочный элемент; 7 - стержень; 8 - конус; 9 - матрица.

Физическая основа сварки взрывом

В процессе взрыва по заряду взрывчатого вещества распространяется детонационная волна. Скорость её распространения измеряется тысячами метров в секунду. Под действием этой волны метаемая пластина приобретает скорость порядка нескольких сотен метров в секунду и происходит её соударение с неподвижной пластиной под определённым углом.

В окрестности точки соударения возникает высокое давление, которое в десятки раз превышает предел прочности материалов. Под воздействием такого давления, согласно гидродинамической теории, свариваемые материалы текут подобно жидкостям. Их течение определяется углом соударения и скоростью точки контакта.

В процессе соударения сварные поверхности самоочищаются и создаются условия для их сближения под воздействием высокого давления и совместного пластического течения. Весь процесс длится порядка 10^-6 с, поэтому взаимная диффузия не успевает распространиться на большую глубину.

Технологические возможности сварки взрывом

Сварка взрывом позволяет соединять между собой такие материалы и сплавы, сварка которых другими способами затруднена. Это касается, к примеру, сварки стали с алюминием или титаном. При этом, по прочности сварной шов таких соединений не уступает прочности наиболее слабого металла в паре.

Сварка взрывом позволяет получать как заготовки, так и уже готовые детали различной формы и разных габаритов. На практике были случаи успешного плакирования листов площадью до 50м², толщиной до 460мм и массой до 40т. Толщины плакирующих слоёв могут колебаться от 0,01 до 45мм.

Данный способ сварки очень хорошо подходит для плакирования труб или цилиндров, а также деталей с криволинейной поверхностью, таких как лопасти турбин, подпятники и других.

Технология сварки взрывом

Требования к свариваемым материалам

Ка уже отмечалось, сварка взрывом позволяет сваривать почти любые разнородные материалы и сплавы. Количество возможных композиций исчисляется несколькими сотнями. Но при сварке материалов с пониженной пластичностью, таких как молибден, вольфрам, закалённые стали, при сварке чугуна и сварке высокопрочных сталей могут возникать определённые трудности.

Для легкоплавких и пластичных металлов, например, для сварки свинца, олова или сварке алюминия требуется минимальное количество энергии и необходима защита поверхности от воздействия взрывчатого вещества.

Достаточно сложно получить сваркой взрывом такие композиции, как сталь-алюминий и сталь-титан. Сваривание этих металлов происходит на умеренных режимах и при сварке толстых листов применяют специальные промежуточные прослойки из материалов, не образующих хрупкие соединения со сварными деталями.

Твёрдость свариваемых материалов оказывает сильно влияние на прочность соединения структуру шва. Для успешной сварки закалённых сталей с алюминием и титаном необходим специальный технологический приём, суть которого состоит в том, чтобы месте контакта создать давление, намного превышающее прочность соединяемых материалов.

Подготовка к сварке

Перед сваркой взрывом поверхности соединяемых изделий должны быть очищены от загрязнений (масляных плёнок, краски, ржавчины и других), потому что при скоростях детонации 2000-2500м/с с поверхностей удаляются только плёнки, толщиной доя 12мкм. Результаты, полученные на практике, показали, что поверхности необходимо зачистить до зеркально блеска, или же протравить и обезжирить.

Кроме того, свариваемые поверхности не должны иметь дефектов (пор, раковин, различных инородных включений), иначе, при сварке возможно разрушение. Также практические данные говорят о том, что прогиб исходных заготовок не должен быть более 5-10мм на погонный метр. Несоблюдение этого требования может повлечь такой дефект, как непровар сварного соединения.

Выбор режимов сварки

Так как процесс сварки взрывом довольно специфичен, универсального режима для данного вида сварки не существует. Исходя из этого, параметры режимы сварки выбирают экспериментально, исходя из каждого конкретного случая.

Минимальную скорость метания можно определить по формуле:

Vmin=1,14*(НV/р)^0,5, где НV - твердость по Виккерсу, а р - плотность материала.

Скорость точки контакта влияет на продолжительность протекания процессов деформации в области соударения, поэтому, для получения качественного сварного соединения необходимо выдерживать её в определённом диапазоне. На практике наилучшие результаты получаются при vк=0,4-0,6м/с. Скорость точки контакта зависит от скорости детонации, которую можно регулировать, применяя различные взрывчатые вещества.

Наибольшая скорость метаемой пластины получается на расстоянии L=g, где g - относительное удлинение, в %. На практике сварочный зазор выдерживают в интервале L=(1-2) g.

Минимальную энергию пластической деформации, необходимую для образования сварного соединения, можно рассчитать по формуле:

W=0,606+0,184 ln (НВ/ g), где НВ - твёрдость по Бринеллю, g - относительное удлинение, %.

Характеристика взрывчатых веществ для сварки взрывом

Наиболее распространённые взрывчатые вещества, применяемые для сварки взрывом и их характеристики, представлены в таблице:

Оборудование и оснастка для сварки взрывом

Оборудование и оснастка для проведения сварки взрывом зависит от того, где будут выполняться работы. Сварку можно производить в полевых условиях на специально подготовленных полигонах, а также на промышленных объектах.

Оборудование и оснастка для сварки в полевых условиях

Специальные полигоны для сварки в полевых условиях оборудуются вдали от промышленных баз и населённых пунктов. Такие места обязательно ограждаются, и размеры ограждаемой зоны зависят от массы подрываемого за один раз заряда. На полигоне обязательно должны быть в наличии минные станции и укрытия для техники.

Свариваемые изделия обрабатывают на специальных опорах. Они должны быть долговечными и не допускать чрезмерной деформации изделий.

Подготовка опор проводится с использованием бульдозеров и погрузчиков. Сооружают опоры из смеси грунта, песка и щебня. Для размещения изделий на опоре необходимы самоходные краны требуемой грузоподъёмности. Недостатками сварки в полевых условиях является влияние климатических условий на качество сварки, а также трудность в достижении высокого уровня механизации процесса.

Оборудование и оснастка для сварки на промышленных предприятиях

В условиях промышленных предприятий, для защиты от поражающих факторов взрыва, процесс проводится в подземных выработках, где для этой цели оборудованы специальные бетонные и металлические взрывные камеры.

Наиболее перспективными для промышленности являются металлические взрывные камеры. Они изготавливаются в виде замкнутых оболочечных конструкций, имеющих форму цилиндра или сферы. Эти камеры оснащаются загрузочным люком, внутренней опорой, вытяжной вентиляцией и системой подрыва взрывчатого вещества. Есть варианты конструкции взрывных камер, в которых предусмотрены внутренние защитные экраны, которые ослабляют силу ударной волны, воздействующей на оболочку.

Для взрывчатого вещества в количестве нескольких килограммов, используются оболочки небольших размеров (с радиусом, не превышающим 1,5м) толщиной 50-100 мм. Для взрывных камер повышенной мощности изготавливают оболочки больших габаритов, или же применяют комбинированные оболочечные конструкции. Многолетний опыт применения взрывных камер на заряд в количестве 0,25-50 кг взрывчатого вещества, подтвердил их высокую степень надёжности и удобство в эксплуатации и обслуживании.

Контроль качества сварных соединений

Основными критериями для оценки качества биметалла, полученного при сварке взрывам, являются сплошность (отсутствие или наличие дефектов в сварном шве) и прочностные свойства сварного соединения, общая прочность биметалла, а также деформация изделия.

Сплошность соединения определяют методом ультразвукового контроля. Для ответственных изделий применяют метод рентгеноскопии сварного шва. Прочностные свойства определяют по результатам испытания на срез и разрыв.

Пластичность оценивают по результатам испытаний на гиб с перегибом и изгиб. Все механические свойства полученного биметалла определяют такими же способами, которые применяются для определения аналогичных свойств обычного монометалла.

Под воздействие взрывной волны могут происходить серьёзные деформации изделий при сварке. Степень деформации можно оценить обычными измерениями с помощью мерительного инструмента.

Видео: Сварка взрывом на Новосибирском заводе

Дополнительные материалы по теме: