СПОСОБ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ ВЗРЫВОМ Российский патент 1996 года по МПК B23K20/08 

Изобретение относится к соединению металлов сваркой и может быть использовано в различных областях машиностроения.

Представление о соединении металлов взрывом формировалось в течение трех-четырех десятилетий по результатам работ различных исследователей и в настоящее время заключается в том, что для соединения металлов необходимо высокоскоростное их соударение. Один из соединяемых металлов нужно разогнать с помощью взрывчатых веществ до высокой скорости и обеспечить соударение с другим металлом.

Известный способ сварки металлов взрывом заключается в том, что на поверхность привариваемой металлической детали помещают заряд взрывчатого вещества, при подрыве которого обеспечивают косое соударение привариваемой детали с поверхностью неподвижной металлической детали. Непременным условием является создание высокоскоростных деформаций соединяемых поверхностей, при этом зазор между свариваемыми деталями должен быть настолько большим, чтобы обеспечить разгон привариваемой детали.

Недостатками известного способа являются использование большого количества взрывчатого вещества (ВВ) для разгона всей детали, значительное деформирование соединяемых металлов; невозможность приварки взрывом каких-либо деталей на изделие из-за возможного разрушения последнего, невозможность сварки металлов, склонных к хрупкому разрушению, ограничение геометрических размеров деталей для выполнения их соединения, повышенные требования к устройству взрывных камер, полигонов и их расположению по отношению к другим объектам из-за применения увеличенных зарядов ВВ. большое количество разнообразных дефектов в соединении металлов из-за применения увеличенных зарядов ВВ, увеличенных деформаций, из-за применения схемы разгона-соударения деталей.

Цель изобретения устранение указанных недостатков.

Для этого в описываемом способе, заключающемся в том, что свариваемые детали устанавливают с зазором, на поверхность привариваемой детали помещают заряд взрывчатого вещества, при подрыве которого обеспечивают косое соударение с поверхностью неподвижной детали, при этом величину зазора определяют соотношением
Δ ≅ 2h (1) где h толщина привариваемой детали;
D скорость ударной волны в этой детали;
U скорость металла привариваемой детали (скорость вещества, массовая скорость) за фронтом ударной волны, а взрывчатое вещество берут в количестве, соответствующем постоянству D и U на толщине h.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема реализации описываемого способа.

Два соединяемых металла 1 и 2 установлены так, что между ними имеется зазор 4 (Δ). На привариваемый металл 1 помещен заряд взрывчатого вещества 3. Металлы 1 и 2 могут быть в виде листов, цилиндров и иметь любую другую форму. Заряд подрывают детонатором 5, размещенным с одной стороны заряда. Тем самым создают скользящую детонацию и косое соударение поверхностей.

Способ реализуется следующим образом.

Металлы 1 и 2 устанавливают с зазором Δ, который определяют по уравнению (1). При этом зазоре схлопывание соединяемых поверхностей происходит в начальной стадии движения металла 1, т.е. при выходе ударной волны на соединяемую поверхность металла 1. Когда ударная волна выходит на свободную поверхность металла 1, каждая точка этой поверхности начинает двигаться перпендикулярно поверхности с некоторой скоростью v, а назад в металл начнет распространяться волна разрежения. Когда волна разрежения достигнет тыльной поверхности детали, вперед пойдет вторая ударная волна. Вторая ударная волна при выходе на переднюю поверхность вызовет ускорение поверхности. При дальнейшей циркуляции волн разрежения и ударных волн происходит разгон всей привариваемой детали продуктами взрыва. Как правило, такой разгон реализуют для сварки на расстоянии до 20 мм.

В предлагаемом способе предусматривается сварку производить в интервале времени движения первой волны разрежения.

Волна разрежения имеет скорость С-u, где С скорость звука для данного состояния ударно-сжатого металла. Массовая скорость при условиях, когда производится сварка, на порядок меньше, чем скорость звука и скорость ударной волны, а скорость звука и скорость ударной волны в этих условиях мало отличаются по величине. Поэтому для простоты установления указанного интервала времени предлагается брать скорость ударной волны, которая определяется либо экспериментально, либо по уравнениям состояния взрывчатого вещества и привариваемого металла. Например, можно использовать известное соотношение (D-u). Итак, сварку предлагается производить в интервале времени
t ≅ или t ≅
В этом интервале времени должно произойти закрытие зазора, т.е. t Иначе говоря,
≅ или Δ ≅
С учетом того, что скорость поверхности равна удвоенной массовой скорости u=2u,
Δ ≅ 2h (1)
Таким образом, зазор определяется, исходя из значений трех величин h, D и u. Толщина привариваемой пластины h назначается, исходя из конструкции изделия. Далее выбирается ВВ для сварки. При взрыве в металле 1 разовьется давление, соответствующее данному ВВ и данному металлу. Этому давлению соответствующие D и u в металле I определяют по известному уравнению состояния металла 1. Взрывчатое вещество берут в количестве, обеспечивающем постоянными D и u для привариваемого металла на толщине h, чтобы не было затухания интенсивности ударного сжатия.

Использование условий по установленной формуле позволяет уменьшить деформацию металлов и снизить количество взрывчатого материала. В данном способе сварки зазор Δ находится в пределах 0,1-1,5 мм, а толщина заряда при уменьшении толщины h приближается к критической толщине заряда, т.е. к такой толщине, когда детонация становится неустойчивой.

Обычно заряд для сварки изготавливается из порошковых ВВ, состоящих из смеси различных компонентов. Поэтому толщину заряда приходится подбирать при разработке технологии экспериментально, начиная с минимальной, критической толщины. При этом исследуется качество соединения.

П р и м е р 1. Способ сварки двух пластин из меди и алюминия.

Необходимо соединить внахлест на ширине 70 мм две пластины: привариваемую пластину 1 из меди длиной 500 мм, шириной 200 мм и толщиной 12 мм и неподвижную пластину 2 из алюминия длиной 500 мм, шириной 200 мм и толщиной 20 мм. На ширине соединения помещают 200 г аммонита слоем толщиной 20 мм, т.е. близким к критическому. Зазор между свариваемыми пластинами определяют по формуле (1). Справочные данные для меди и аммонита: давление 107 кбар, D= 4,22 км/с, u=0,26 км/с. Зазор Δ ≲ 2•12 • 1,48 мм. Зазор не должен быть более 1,5 мм. После взрыва при зазоре 1,3 мм получают соединение с прочностью на растяжение на всей площади соединения в диапазоне 6-8 кг/мм², т.е. получают прочность на уровне прочности алюминия. Такое соединение выполнено без разгона всей детали, а сварка происходит на нужной части соединяемых деталей.

П р и м е р 2. Сварка двух стальных листов.

Лист конструкционной стали размерами 2500х8500 мм необходимо плакировать листом нержавеющей стали тех же размеров и толщиной 5 мм. На привариваемый лист из нержавеющей стали помещают слой аммонита толщиной 15 мм и весом 350 кг. Зазор определяют по той же формуле (1). Справочные данные для стали: давление 100 кбар, D=4,27 км/с, u=0,3 км/с. Зазор Δ ≅ 2•5 0,7 мм. Зазор не должен быть более 0,7 мм. После взрыва при зазоре 0,5 мм получают соединение с прочностью на растяжение на всей поверхности не ниже 45 кг/мм², т.е. получают прочность на уровне прочности конструкционной стали. Соединение выполнено без разгона привариваемого листа, расход ВВ 350 кг. При сварке по существующему способу расход ВВ составил бы около 1,5 т.

Прочность соединения по предлагаемому способу сварки находится на уровне прочности одного из соединяемых металлов. При этом способе может выполняться соединение совершенно разнородных металлов, а также металлов с повышенной твердостью и при определенных условиях склонных к хрупкому разрушению. Кроме того, возможна приварка деталей на изделие. Способ экономичен из-за снижения количества используемого ВВ. Способ не имеет ограничений в части геометрических размеров свариваемых деталей.

Использование: для приваривания отдельных деталей на изделии, соединения деталей, склонных к хрупкому разрушению, соединение деталей на взрывных площадках и в камерах с ограничением по весу взрывчатых веществ. Сущность изобретения: при соединении деталей на поверхность привариваемой детали помещают заряд взрывчатого вещества, при подрыве которого обеспечивают косое соударение привариваемой детали с поверхностью неподвижной детали. Установочный зазор между деталями определяют соотношением Δ ≅ 2h•U/D где h - толщина привариваемой детали; D - скорость ударной волны в этой детали; U - скорость металла привариваемой детали за фронтом ударной волны, причем взрывчатое вещество берут в количестве, соответствующем постоянству D и U на толщине h. 1 ил.

СПОСОБ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ ВЗРЫВОМ, заключающийся в том, что свариваемые детали устанавливают с зазором, на поверхность привариваемой металлической детали помещают заряд взрывчатого вещества, при подрыве которого обеспечивают косое соударение привариваемой детали с поверхностью неподвижной детали, отличающийся тем, что зазор устанавливают в соответствии с соотношением

где h - толщина привариваемой детали;
D - скорость ударной волны в этой детали;
U - скорость металла привариваемой детали за фронтом ударной волны,
а взрывчатое вещество берут в количестве, соответствующем постоянству D и U на толщине h.