СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЛИСТОВ СТАЛЬ-ТИТАН СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ Российский патент 2001 года по МПК B23K20/08 B32B7/04 

Изобретение относится к технологии сварки взрывом и может быть использовано при изготовлении биметаллических заготовок из разнородных металлов, в частности биметалла сталь-титан.

Известен способ сварки взрывом, по которому основной лист из стали зачищают до металлического блеска, обезжиривают и устанавливают на опору из песка, затем плакирующий лист устанавливают с нависанием на основной лист через дистанционные опоры со сварочным зазором, после чего на плакирующем листе монтируют заряд взрывчатого вещества с генератором плоского фронта. Приводятся рекомендации по расчету нависаний плакирующего листа (см. Крупин А. В. и др. Деформация металлов взрывом (М.: "Металлургия", 1975, с. 153 - 155).

Опыт плакирования по данному способу показал, что в полученном соединении образуются краевые непровары, а также надрывы и сколы плакирующего слоя. В структуре соединения по мере удаления от начала сварки растет содержание литых включений и пор.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ получения биметалла сваркой взрывом, включающий сборку плакирующего листа, покрытого с одной стороны слоем жидкого стекла, с основным листом со сварочным зазором, который заполняют гелием или вакуумируют, раскладку взрывчатого вещества и его инициирование вдоль длинной стороны плоским фронтом, который создают отрезками детонирующего шнура, инициируемого от одного детонатора (Кудинов В.М., Коротеев А.Я. Сварка взрывом в металлургии (М.: "Металлургия", 1978, с. 94-112) - прототип.

Экспериментальная проверка показала, что при плакировании по известному способу не устраняются непровары, образуемые в начале процесса сварки взрывом, а также появляются непровары на боковых и конечных участках. Кроме того, наблюдаются на конечных участках сколы плакирующего листа и его надрывы. Для исключения трещин и разрывов в основном листе при отрицательных температурах производят подогрев листа. Однако удаленность полигонов, быстрое остывание листа на воздухе при транспортировке и монтаже не позволяют сохранить температуру предварительного подогрева. Вакуумирование сварочного зазора или заполнение гелием затруднено, т.к. требует тщательной герметизации сварочного зазора, что в свою очередь мешает процессу сварки взрывом в краевых зонах.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, является получение качественного соединения титана со сталью по всей поверхности крупногабаритных листов, а также обеспечение заданной атмосферы в сварочном зазоре в процессе сварки взрывом, сохранение заданной температуры основы в любое время года, предохранение поверхности плакирующего листа от бризантного действия взрывчатого вещества и обеспечение качественной обрезки плакирующего листа.

Поставленные задачи решаются тем, что в способе получения крупногабаритных биметаллических листов сталь-титан сваркой взрывом, включающем зачистку свариваемых поверхностей, сборку пакета из плакирующего листа из титана, покрытого со стороны плакирования защитным слоем, и основного листа из стали, со сварочным зазором между ними и обеспечением нависаний, установку пакета на опору, заполнение сварочного зазора защитным газом, размещение заряда взрывчатого вещества на плакирующем листе и его инициирование по длинной стороне генератором плоского фронта, к основному листу на одном уровне с плакируемой поверхностью по всему периметру приваривают технологические пластины из стали толщиной 0,7 - 1,0 толщины плакирующего листа и шириной, равной его нависанию, при этом поверхность технологических пластин со стороны плакирования зачищают до металлического блеска, а приварку производят прерывистым швом с шагом более 100 мм со стороны, противоположной плакированию, собранный пакет на опоре располагают под углом 3 - 6^o к горизонту, а сварочный зазор заполняют аргоном с нижней стороны пакета, верхнюю часть опоры выполняют из песка, нагретого до температуры 60 - 150^oC, а толщину слоя песка берут не менее толщины основного листа, инициирование заряда производят одновременно вдоль всей длинной стороны, при этом генератор плоского фронта располагают так, чтобы фронт детонации распространялся под углом 3-10^o к длинной стороне основного листа, защитный слой плакирующего листа имеет следующий состав, мас.%: SiO₂ 30-37; B₂O₃ 32-37; Al₂O₃ 8-12; CaO 2-4; BaO 4-6, вода остальное.

Приварка технологических пластин на одном уровне с плакируемой поверхностью позволяет начало и окончание процесса сварки взрывом вынести за пределы основного листа, что исключает появление начальных и конечных непроваров. Толщина пластин выбирается из условия снижения в 2-3,5 раза скорости обрезки нависающих частей плакирующего слоя, а приварка технологических пластин прерывистым швом с шагом более 100 мм со стороны, противоположной плакированию, позволяет исключить влияние сварных швов на процесс сварки взрывом и обеспечить прочное соединение пластин с основой при транспортировке. При шаге меньше 100 мм сварной шов будет отрицательно влиять на массовые характеристики и затруднит обрезку нависающих частей листа. Зачистка технологических пластин до металлического блеска исключает попадание в сварное соединение титана со сталью загрязнений (окалины, окисленных плен) в процессе сварки взрывом и повышает его прочность.

Выполнение пластин шириной, равной нависающей части плакирующего листа, упрощает крепление болтами основного листа к плакирующему и герметизацию зазора.

Покрытие поверхности титанового листа со стороны плакирования приведенным защитным составом позволяет защитить поверхность не только от взрывчатого вещества, но и от насыщения поверхности водородом при высокой температуре, которая возникает в контакте с зарядом.

Для обеспечения заданной температуры основы в любое время года верхнюю часть опоры выполняют из песка, нагретого до температуры 60-150^oC. Высокая теплоемкость песка и отсутствие его контакта с атмосферой дают возможность длительное время сохранять заданную температуру, а хороший контакт горячего песка с основным листом по всей поверхности - быстро его нагревать. Наличие сварочного зазора между основным и плакирующим листами снижает теплоотдачу основного листа в атмосферу. Температуру нагрева песка назначают в зависимости от температуры окружающего воздуха. Максимальная температура 150^oC при температуре воздуха -20^oC. При более низкой температуре ведение взрывных работ затруднено.

При толщине слоя песка менее толщины основы нагрев ее будет неэффективен.

Аргон тяжелее воздуха, поэтому для полного вытеснения воздуха из сварочного зазора аргон подают снизу, а собранный пакет располагают на опоре под углом 3-6^o к горизонту.

Расположение генератора плоского фронта при инициировании заряда так, чтобы фронт распространялся под углом 3-10^o к длинной стороне, устраняет обрезку нависающей части плакирующего листа одновременно по всей длине и тем самым исключает образование таких дефектов, как сколы, надрывы и т.п.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 - общая схема осуществления способа, на фиг. 2 - распространение фронта детонации.

К основному листу 1 на одном уровне с плакируемой поверхностью по всему периметру приваривают технологические пластины 2. Основной лист 1 собирают с плакирующим листом 3 с определенным сварочным зазором 4. Собранный пакет под углом B = 3-6^o к горизонту устанавливают на опору 5, верхняя часть 6 которой выполнена из песка. Затем производят заполнение аргоном сварочного зазора 4 с нижней стороны. Раскладывают заряд взрывчатого вещества 7 на поверхности плакирующего листа 3 и монтируют генератор 8 плоского фронта вдоль длинной стороны так, чтобы плоский фронт детонации (фиг. 2) распространялся под углом A = 3-10^o к длинной стороне основного листа 1.

Пример. Предлагаемый способ опробовали при изготовлении биметалла сталь-титан путем соединения сваркой взрывом основного листа из стали 09Г2С размерами 4000 x 2100 x 30 мм с листом из титанового сплава Вт 1-0 размерами 4080 x 3210 x 5 мм. Плакируемую поверхность основного листа зачистили и по его периметру заподлицо приварили технологические пластины из стали толщиной 4 мм. Ширина пластин 40 мм, со стороны инициирования заряда 70 мм. Приварку производили прерывистым швом с шагом 200 мм со стороны, противоположной плакированию. Поверхность технологических пластин зачистили до металлического блеска и обезжирили. На поверхность плакирующего листа, контактирующего с зарядом взрывчатого вещества, нанесли защитное покрытие толщиной 0,5 мм следующего состава: SiO₂ 35%; B₂O₃ 35%; Al₂O₃ 12%; CaO 4%; BaO 6%, вода остальное, просушили и скрепили болтами с основным листом с образованием сварочного зазора. Собранный пакет установили на опору, верхняя часть которой толщиной 50 мм была выполнена из песка, нагретого до 100^oC. Температура окружающего воздуха -10^oC. Пакет на опоре располагали под углом 5^o к горизонту. Затем размещали заряд взрывчатого вещества и монтировали генератор плоского фронта из системы детонирующих шнуров равной длины. Концы шнуров подсоединили к детонирующему шнуру, который располагали в заряде под углом 5^o к длинной стороне основного листа. После размещения заряда заполнили сварочный зазор аргоном, подавая его с нижней стороны пакета, и произвели инициирование заряда взрывчатого вещества.

В результате плакирования получили лист биметалла сталь-титан со 100% сплошностью, прочностью соединения титана со сталью более 140 МПа по всей поверхности, волнообразной линией соединения с минимальным количеством расплавов и пор.

Таким образом, предлагаемый способ получения биметалла сталь-титан сваркой взрывом обеспечивает высокое качество и прочность соединения крупногабаритных листов с гладкой и ровной кромкой. Это достигается за счет приварки к основному листу удлиняющих технологических пластин, вследствие чего процесс сварки начинается и заканчивается на этих пластинах, что исключит образование на основном листе таких дефектов, как непровары, сколы, надрывы и т.п.

Изобретение может быть использовано при изготовлении биметаллических заготовок сталь-титан. К основному листу на одном уровне с плакируемой поверхностью по всему периметру приваривают технологические пластины из стали толщины 0,7-1,0 толщины плакирующего листа и шириной, равной его нависанию. Поверхность пластин зачищают до металлического блеска. Приварку производят прерывистым швом с шагом более 100 мм со стороны, противоположной плакированию. Собранный пакет на опоре располагают под углом 3-6^o к горизонту. Сварочный зазор заполняют аргоном с нижней стороны пакета. Верхнюю часть опоры выполняют из слоя песка, нагретого до 60-150^oС. Защитный слой плакирующего листа имеет определенный состав. Генератор плоского фронта располагают с возможностью его распространения под углом 3-10^o к длинной стороне основного листа. Способ позволяет получить биметалл сталь-титан высокого качества и прочности соединения с гладкой и ровной кромкой, без непроваров, сколов, надрывов. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения крупногабаритных биметаллических листов сталь-титан сваркой взрывом, включающий зачистку свариваемых поверхностей, сборку пакета из плакирующего листа из титана, покрытого со стороны плакирования защитным слоем, и основного листа из стали, со сварочным зазором между ними и обеспечением нависаний, установку пакета на опору, заполнение сварочного зазора защитным газом, размещение заряда взрывчатого вещества на плакирующем листе и его инициирование по длинной стороне генератором плоского фронта, отличающийся тем, что к основному листу на одном уровне с плакируемой поверхностью по всему периметру приваривают технологические пластины из стали толщиной 0,7-1,0 толщины плакирующего листа и шириной, равной его нависанию, при этом поверхность технологических пластин со стороны плакирования зачищают до металлического блеска, а приварку производят прерывистым швом с шагом более 100 мм со стороны, противоположной плакированию. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что собранный пакет на опоре располагают под углом 3-6^o к горизонту, а сварочный зазор заполняют аргоном с нижней стороны пакета. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что верхнюю часть опоры выполняют из песка, нагретого до температуры 60-150^oС, а толщину слоя берут не менее толщины основного листа. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что защитный слой плакирующего листа имеет следующий состав, мас.%: SiO₂ 30-37; B₂O₃ 32-37; Аl₂O₃ 8-12; СаO 2-4; ВаO 4-6, вода - остальное. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что генератор плоского фронта располагают так, чтобы фронт распространялся под углом 3-10^o к длинной стороне основного листа.