СПОСОБ СВАРКИ ВЗРЫВОМ Российский патент 1997 года по МПК B23K20/08 

Изобретение относится к технологии изготовления сваркой взрывом протяженных по длине многослойных листов из тонколистовых заготовок и может быть использовано при сварке лент и фольг.

Известен способ сварки металлических пластин (см. Крупинин А.В. и др. Обработка металлов взрывом. М. Металлургия, 1991. с. 170), при котором собирают пакет из двух пластин, установленных с зазором, и заряда ВВ, последний инициируют, и метают одну заготовку на другую.

При сварке тонких листов по данному способу требуется массивное основание для предотвращения коробления пластин в процессе соединения, при этом необходим способ защиты поверхности метаемого тонкого листа от действия продуктов взрыва, которые могут разрушить его.

Известен способ плакирования сваркой взрывом фольгой основного металла с помощью фальшпластины (см. Крупин А.В. и др. Обработка металлов взрывом М. Металлургия, 1991, c. 174), при котором с целью защиты фольги от разрушения на ее поверхность наносят защитный изолирующий слой, на который устанавливают фальшпластину с зарядом ВВ. Размещение фольги и фальшпластины таким образом позволяет защитить поверхность, а также исключить прогиб и коробление фольги при взрывном нагружении.

Известен способ одновременной сварки взрывом многослойной композиции из тонких листов (см. Крупин А.В. и др. Обработка металлов взрывом. М. Металлургия, 1991, с. 178), при котором свариваемые заготовки, защитный слой и фальшпластину собирают в пакет, который сваривают за один подрыв.

Недостатком данных способов является необходимость использования при сварке взрывом тонколистовых заготовок большой длины, фальшпластины еще большей длины. Как правило, на изготовление фальшпластины идет больше материала чем на собственно многослойный лист.

Недостатком является и то, что при стремлении, во-первых, уменьшить толщину фальшпластины (ее массы), во-вторых, использовать заряды ВВ с меньшей высотой на большой площади, при их детонации возникают трудности в создании стационарного процесса детонации из-за непостоянства плотности насыпного ВВ по всей площади, а это приводит к неравномерному давлению за фронтом детонации и, в целом, ухудшает качество сварного соединения. К недостаткам перечисленных способов относится также и то, что при сварке тонколистовых заготовок в многослойный протяженный по длине лист для исключения коробления и разрушения листов необходимо мощное основание еще большей длины, чем свариваемые листы. Как правило, при сварке тонколистовых заготовок в качестве основания используют на полигонах стальные плиты толщиной от 40 до 120 мм, устанавливаемые на грунт. После 6 15 подрывов они растрескиваются.

Все перечисленные выше способы требуют при проведении сварных работ для получения из тонколистовых заготовок многослойного листа изготовления весьма металлоемкой технологической оснастки: фальшпластин, плит-оснований и т.д.

Известен способ сварки взрывом многослойных труб (см. Крупин А.В. и др. Обработка металлов взрывом М. Металлургия, 1991, с. 219), принятый за прототип, при котором многослойная труба сваривается из набора-пакета нескольких тонкостенных труб, коаксиально расположенных друг относительно друга с зазором, цилиндрическим зарядом ВВ. При этом способе используется технологическая оснастка значительно меньшей металлоемкости по сравнению с упомянутыми способами.

К недостаткам следует отнести сложность изготовления необходимого набора тонкостенных труб с конкретными заданными диаметрами, длиной, толщиной стенки, а также установка пакета с выдержкой заданных зазоров между трубами для осуществления сварки взрывом. Данный способ практически не позволяет получить многослойный лист большой длины. Резка многослойной трубы по образующей и последующая правка ее в лист нерациональна, ограничивает длину получаемого листа диаметром и длиной трубы. Увеличение диаметра и длины трубных заготовок приводит к усложнению их изготовления.

Результатом изобретения является получение из тонколистовых заготовок длинных многослойных листов с качественным сварным соединением по всей длине с минимальными металлозатратами на технологическую оснастку.

Поставленная задача достигается тем, что две и более листовых заготовки устанавливают с зазором между собой в виде пакета, на наружные поверхности которого наносят защитный слой краска, резина, полиэтилен и другие известные материалы. Собранный таким образом пакет имеет длину L, равную длине свариваемых тонколистовых заготовок, ширину Н, равную ширине свариваемых заготовок и высоту h, равную сумме толщин свариваемых листовых заготовок, толщин защитных слоев и величин зазоров между листами. Далее, пакет по длине L сворачивают плотно без зазора в многовитковый рулон с внутренним диаметром d, наружным диаметром D, количеством слоев n и высотой равной ширине пакета Н. Внутренний диаметр рулона d задается исходя из технических возможностей сворачивания пакета в рулон, требуемой длины многослойного листа и выбранной технологии ведения сварочновзрывных работ.

Наружный диаметр D рулона зависит от длины пакета L, его высоты и количества слоев в рулоне n и получается автоматически при сворачивании, связан с внутренним диаметром рулона d соотношением
D=d+2h•n.

Длина сворачиваемого пакета L, количество слоев n в рулоне и внутренний диаметр рулона d связаны между собой выражением

Концы рулона по высоте пакета закрепляют изнутри и снаружи клинообразными фиксаторами. Благодаря своей клинообразной форме фиксаторы выравнивают геометрию рулона по цилиндрическим наружным и внутренним поверхностям.

Рулон ставят вертикально, соосно рулону на его внутреннюю и наружную поверхности с диаметрами d и D соответственно размещают заряды ВВ, которые далее инициируют.

Свариваемые тонколистовые заготовки в рулоне, свернутом из пакета, расположены между собой с зазором по спиральным поверхностям. В результате действия продуктов взрыва происходит высокоскоростное косое соударение слоев заготовок между собой, приводящее к их сварке по спиральным поверхностям. Процесс идет последовательно по высоте рулона (ширине свернутых листов).

После сварки рулон по защитным слоям развертывают в лист. Удаление защитных материалов после сварки возможно непосредственно в рулоне или с развернутого листа механическим или химическим методом.

Для получения более точной цилиндрической геометрии рулона начальный и конечный участки пакета по ширине выполняют со скосом: на начальном участке под углом
,
и на конечном
,
где, h толщина пакета с нанесенным на него защитным слоем,
d внутренний диаметр рулона,
D наружный диаметр рулона.

Выполненный таким образом скос позволяет получить более точную цилиндрическую геометрию по внутреннему и наружному диаметрам рулона, а также благодаря бесступенчатому плотному скручиванию рулона на начальном длиной и конечном длиной участке пакета. Фиксация рулона от раскручивания в данном способе осуществляется скобами-зажимами.

Для упрощения технологии сворачивания пакета в рулон его наматывают на внутреннюю или внешнюю оправки, соосно которым на рулоне, соответственно снаружи или изнутри, на цилиндрические поверхности размещают один заряд ВВ.

Для защиты поверхности рулона от действия продуктов детонации и предотвращения раскручивания рулона сразу после сварки и в процессе химического удаления материала защитного слоя из рулона между цилиндрической поверхностью и зарядом ВВ размещают цилиндрическую фальшобечайку, удаляемую после сварки и химического удаления материала защитного слоя из рулона перед разворачиванием его.

В данном способе обечайка выполняет двойную функцию: защищает поверхность рулона от воздействия продуктов детонации; служит фиксатором от раскручивания рулона перед сваркой и особенно после сварки при химическом удалении защитного слоя, и может в дальнейшем использоваться как тара-упаковка при транспортировании рулона.

Для упрощения технологии сворачивания пакета в рулон свариваемые две заготовки с защитным слоем собиpают в пакет без зазора с расположением защитного слоя только внутри пакета между заготовками. Необходимый для сварки взрывом зазор между свариваемыми поверхностями делают по спиральным поверхностям в процессе сворачивания пакета в рулон, начиная со второго витка по наружным незащищенным поверхностям пакета. Листовые заготовки при этом свариваются по наружным поверхностям пакета, находящимся в соседних витках рулона.

Для получения сразу нескольких многослойных листов за один подрыв в рулон сворачивают два и более пакетов, выполненных ранее описанными способами.

На фиг.1 изображена схема сборки листовых заготовок с зазором между собой в пакет; на фиг.2 схема сворачивания пакетов в спиралевидный рулон с использованием клинообразных вставок-фиксаторов; на фиг.3 схема сборки листовых заготовок в пакет со скосом кромок последнего; на фиг.4 рулон, свернутый из пакета со скошенными кромками; на фиг.5 схема размещения рулона и заряда ВВ перед сваркой; на фиг.6 поперечное сечение А А фиг.5; на фиг.7 схема установки рулона из пакета намотанного на внутреннюю оправку с установкой фальшобечайки между рулоном и зарядом ВВ; на фиг.8 схема развертывания рулона после сварки; на фиг.9 схема сборки листовых заготовок между собой без зазора в пакет; на фиг.10 схема сворачивания пакета в рулон с зазором между витками рулона.

Свариваемые тонколистовые заготовки 1 и 2 (см. фиг.1) устанавливают относительно друг друга с зазором 3, определяемым фиксаторами 4. На наружную поверхность собранного таким образом пакета наносят защитный слой 5. Пакет имеет длину L, равную длине свариваемых тонколистовых заготовок 1 и 2, ширину Н, равную ширине свариваемых тонколистовых заготовок 1 и 2 и высоту h, равную сумме толщин свариваемых заготовок 1 и 2, величины зазора 3 и толщин защитного слоя 5.

Пакет (см. фиг.2) по длине сворачивают плотно без зазора в рулон 6 с установкой внутри и снаружи клинообразных вставок-фиксаторов 7 (на фиг.2 наружная вставка не показана) с сохранением зазора 3 между сворачиваемыми заготовками 1 и 2 по их спиралевидным поверхностям, образующимся из плоских поверхностей при сворачивании пакета в рулон.

Свариваемые тонколистовые заготовки 1 и 2 (см. фиг.3) устанавливают относительно друг друга с зазором 3 посредством фиксатора зазора 4. На наружную поверхность пакета наносят защитный слой 5. По концам пакета на начальном участке и конечном делают скосы 8 под углом α и β соответственно

где, h толщина пакета с нанесенным защитным слоем,
d внутренний диаметр рулона,
D наружный диаметр рулона.

Пакет сворачивают в рулон 6 (см. фиг.4) с внутренним диаметром d и наружным D.

Внутренний диаметр d задают из технических возможностей сворачивания пакета в рулон, он зависит от схемы ведения сварочновзрывных работ.

Наружный диаметр рулона зависит от длины пакета L, его высоты Н и количества слоев n в рулоне 6 и получается автоматически при сворачивании. Диаметры связаны соотношением,
D=d+2h•n,
где
h высота пакета,
n количество слоев в пакете (рулоне).

От разворачивания (см. фиг.4) рулон крепится скобами-фиксаторами 9. При сворачивании пакета в рулон его (пакета) плоские составляющие свариваемые заготовки 1 и 2, и защитный слой 5 преобразуются в спиральные поверхности с сохранением зазора 3.

Рулон (см. фиг.5) устанавливают на основание 10 вертикально, снаружи и внутри рулона устанавливают цилиндрические заряды ВВ соответственно 11 и 12 соосно оси рулона. От раскручивания рулон закрепляют скобами-фиксаторами 9. Внутри рулона (см. фиг.6) между свариваемыми заготовками 1 и 2 сохранен зазор 3.

Защитный слой 5 пакета, свернутого в рулон 6, становится защитным слоем рулона по цилиндрическим поверхностям, с которыми соприкасаются заряды ВВ 11 и 12.

Заряды 11 и 12 инициируют детонирующим шнуром 13, собранным в паук 14 с помощью детонатора 15.

Рулон 6 (см. фиг.7) образован путем намотки пакета на внутреннюю оправку 16 и установлен на основание 10. Сверху рулон закрывается крышкой-фиксатором 17, далее надевается цилиндрическая фальшобечайка 18, на которой размещают заряд ВВ 19. В рулоне 6 между свариваемыми заготовками 1 и 2 оставлен зазор 3.

Заряд 19 инициируют детонирующим шнуром 13, собранным в паук 14 с помощью детонатора 15.

В результате высокоскоростного соударения свариваемых заготовок 1 и 2 под действием энергии взрыва они, находясь в рулоне 6, свариваются между собой в монолитную заготовку 20 (см. фиг.8) с образованием шва 21.

Рулон после сварки разворачивают в многослойный лист 22. Пакет (см. фиг. 9) собирают без зазора из двух заготовок 1 и 2 с расположением защитного слоя 5 между заготовками. На пакете делают скосы 8.

Пакет (см. фиг.10) сворачивают в рулон 6, при этом на первом витке без зазора, на последующих с зазором 3. Для этого устанавливают фиксаторы 7 в процессе сворачивания. Зазор 3 образуется по наружным поверхностям пакета, находящимся в соседних слоях рулона 6.

Примеры конкретного исполнения. Пример первый. Пакет собирают следующим образом. На медной тонколистовой заготовке размером 1900х200х1 мм с зазором 1 мм устанавливают никелевую тонколистовую заготовку размером 1900х200х1 мм. Зазор между заготовками фиксируют медными вставками-фиксаторами размером 1х1х1 мм, установленными по длине и ширине свариваемых заготовок в шахматном порядке. На наружные поверхности собранного таким образом пакета, а именно: сверху на никелевую заготовку, снизу на медную, наносят защитный слой - масляная краска толщиной 0,2 мм. Пакет получают длиной 1900 мм, шириной 200 мм и высотой 0,2+1+1+1+0,2 3,4 мм.

Пакет по длине сворачивают вручную в рулон с внутренним диаметром 100 мм, плотно без зазора между витками пакета, но с сохранением зазора в 1 мм между медной и никелевой заготовками внутри пакета. Количество витков в рулоне 5, наружный диаметр 135 мм. По торцам рулон закрепляют проволочными скобами, по три скобы с каждого торца для предотвращения раскручивания рулона.

Далее рулон ставят вертикально на один из торцов соосно рулону на его внутреннюю и наружную поверхности диаметрами соответственно 100 мм и 135 мм устанавливают кольцевые заряды ВВ. Заряд ВВ, установленный внутри рулона, имеет диаметр 100 мм, толщину 10 мм и высоту 200 мм.

Снаружи рулона устанавливают второй кольцевой заряд ВВ диаметром 135 мм, толщиной слоя ВВ 8 мм и высотой 200 мм.

Формирование зарядов ВВ производят с помощью картонных вставок. Заряд ВВ аммонит 6ЖВ+аммиачная селитpа в соотношении 1: 1. Заряды ВВ инициируют синхронно с помощью детонирующего шнура и электродетонатора после установки всей сборки во взрывную камеру.

После взрывной обработки рулон по защищенным масляной краской участкам разворачивают вручную. Результатом технологического процесса является тонкая биметаллическая листовая заготовка медь+никель размером 1900х200х2 мм со слоем меди и никеля по 1 мм.

Масляную краску удаляют с помощью растворителя РС-2 (на основе скипидара).

Пример второй. Аналогично описанному в примере 1 способу собирают пакет и сворачивают в рулон с внутренним диаметром 100 мм. Внутрь рулона устанавливают стальной стержень из стали Ст.3 диаметром 100 мм, длиной 200 мм. Снаружи рулона по диаметру 135 мм устанавливают фальшобейчайку из полихлорвинила с внутренним диаметром 135 мм, толщиной стенки 2 мм и высотой 250 мм.

На фальшобечайку размещают кольцевой заряд ВВ диаметром 139 мм, толщиной слоя ВВ 10 мм и высотой 250 мм. Состав аналогичен примеру 1. Заряд ВВ инициируют с помощью детонирующего шнура и электродетонатора после размещения всей сборки во взрывную камеру. После обработки взрывом всю сборку помещают в емкость с растворителем РС-2, выдерживают ≈ 3 ч. Далее рулон развертывают в биметаллическую тонколистовую заготовку. Пример третий. Пакет собирают следующим образом. На медной и никелевой заготовках размером 1900х200х1 мм на начальном и конечном участках выполняют скосы по всей ширине 200 мм на толщине 1 мм. Угол скоса на начальных участках

где, Н 3,4 мм толщина собираемого пакета;
d 100 мм задаваемый внутренний диаметр будущего рулона.

Угол скоса на конечных участках

где, D 135 мм наружный диаметр будущего рулона.

На медную заготовку с зазором в 1 мм и со сдвигом по длине, для образования у пакета начального угла 1^o14' и конечного 0^o54' устанавливают заготовку из никеля. Зазор между пластинами фиксируют медным вставками-фиксаторами размером 1х1х1 мм. На наружные поверхности собранного пакета, а именно: сверху на никелевую заготовку, снизу на медную, наносят защитный слой масляная краска 0,2 мм. Пакет получают длиной 2090 мм, шириной 200 мм, высотой 0,2+1+1+1+0,2= 3,4 мм. Далее, пакет сворачивают вручную в рулон, наматывая на оправку, выполненную в виде стального стержня диаметром 100 мм и длиной 200 мм. Сворачивают так, что между витками зазор отсутствует, но сохраняется зазор 1 мм между медной и никелевой заготовками. Количество витков в рулоне 5, наружный диаметр 135 мм. По наружному диаметру рулона устанавливают фальшобечайку из полихлорвинила с толщиной стенки 2 мм и высотой 250 мм. На фальшобечайке размещают кольцевой заряд ВВ диаметром 139 мм. Толщина слоя ВВ 10 мм и высота 250 мм. Состав ВВ аналогичен примерам 1, 2. Заряд ВВ инициируют с помощью детонирующего шнура и электродетонатора после установки вертикально всей сборки во взрывной камере.

После обработки сварки взрывом медной и никелевой заготовок между собой всю сборку помещают в емкость с растворителем РС-2, выдерживают ≈ 3 ч. Далее рулон с оправки разворачивают, получая в результате биметаллическую тонколистовую заготовку.

Пример четыре. На одну из поверхностей медной листовой заготовки размером 1990х200х1 мм наносят слой масляной краски толщиной 0,2 мм. На одну из поверхностей никелевой заготовки, размер которой 1990х200х1 мм, наносят аналогичный защитный слой. Заготовки по защитным слоям собирают в пакет путем укладки одной на другую без зазора. Пакет по длине сворачивают вручную в рулон с внутренним диаметром 100 мм со второго витка с зазором 1 мм, устанавливая для этого медные вставки размерами 1х1х1 мм в процессе свертывания рулона. Количество витков в рулоне 5, наружный диаметр 135 мм. По торцам рулон закрепляют проволочными скобами, по три с каждого торца. Они предотвращают раскручивание рулона.

Далее, рулон ставят вертикально на один из торцев. Заряды ВВ в соответствии с размерами рулона устанавливают на внутреннюю и наружную поверхности. Заряды ВВ кольцевые, аналогичны по составу инициирования примеру один.

После сварки взрывом в камере и никелевой заготовок рулон раскручивают по защитному слою в биметаллическую тонколистовую заготовку.

В настоящее время КТИ ГИТ ведет работы по изготовлению тонколистовых заготовок из меди и никеля размерами 20000х500х2 мм. Процесс сварки взрывом осуществляют на полигоне.

Использование, получение из тонколистовых заготовок, например, фольги, протяженных по длине многослойных листов с качественным сварным соединением и минимальными металлозатратами на технологическую оснастку. Сущность изобретения: способ заключается в том, что две и более листовые заготовки 1 располагают с зазором между собой в виде пакета, на наружные поверхности которых наносят защитный слой. Собранный таким образом пакет сворачивают плотно без зазора в многовитковый рулон с рассчитываемыми размерами. Рулон ставят вертикально, размещают заряды, которые затем инициируют. После сварки взрывом рулон по защитным слоями разворачивают в лист. 5 з.п.ф-лы, 10 ил.

1. Способ сварки взрывом протяженных тонколистовых заготовок в многослойный лист, при котором осуществляют сборку по меньшей мере двух листовых заготовок в пакет, нанесение защитного слоя, размещение и инициирование заряда взрывчатого вещества и удаление защитного слоя, отличающийся тем, что перед размещением заряда пакет заготовок по длине сворачивают в рулон высотой, равной ширине пакета, концы пакета в рулоне фиксируют, рулон ставят вертикально, при этом заряды размещают соосно на наружной и внутренней поверхностях рулона, а после инициирования зарядов рулон развертывают в лист. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на концевых участках пакета по ширине выполняют скосы, причем на начальном участке угол скоса а на конечном угол скоса
где h толщина пакета с нанесенным на него защитным слоем;
d внутренний диаметр рулона;
D наружный диаметр рулона. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что пакет сворачивают в рулон намоткой на оправку и один заряд размещают соосно с ней. 4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что между рулоном и зарядом размещают цилиндрическую фальшобечайку, удаляемую перед развертыванием рулона. 5. Способ по пп.1 4, отличающийся тем, что свариваемые заготовки собирают в пакет без зазора, а защитный слой располагают внутри пакета между заготовками, причем сварочный зазор создают между витками рулона в процессе сворачивания пакета, начиная с второго витка, по наружным поверхностям. 6. Способ по пп.1 5, отличающийся тем, что в рулон сворачивают по меньшей мере два пакета.