СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПЛОСКИХ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЛИСТОВ СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ Российский патент 2009 года по МПК B23K20/08 B32B7/04 

Изобретение относится к технологии получения сваркой взрывом крупногабаритных плоских биметаллических листов и может быть использовано в различных областях металлообрабатывающей промышленности и химического машиностроения при изготовлении крупногабаритных металлических конструкций.

Известно, что формирование соединения при сварке взрывом происходит в условиях высокоскоростного соударения плакирующего и плакируемого листов при малой длительности, в результате которого в близлежащих к линии контакта поверхностях протекают процессы совместной пластической деформации приконтактных объемов металла, активация контактных поверхностей, образование в приконтактной зоне волнового профиля, объемное взаимодействие на активных центрах со слиянием дискретных очагов деформации и объемной релаксацией напряжений. Размер образующегося в процессе соединения волнового профиля, т.е. объем продеформированного металла приконтактных зон, зависит от времени действия давления в зоне контакта. Учитывая, что давление не постоянно и зависит от времени, то степень пластической деформации (а также связанные с этим параметром размеры волнового профиля) будет определяться величиной деформирующего импульса I_д. При этом, чем выше уровень давления и продолжительней его действие, тем большая часть кинетической энергии затрачивается на пластическую деформацию металла околошовной зоны. Для реализации требуемой для соединения слоев величины совместной пластической деформации приконтактных объемов металла необходимо достигнуть определенного уровня давлений, действующих в течение некоторого времени и превышающих динамические пределы текучести свариваемого металла.

В условиях максимального благоприятствования для полноты прохождения процессов сварки по всей соединяемой поверхности, когда время прихода волны разгрузки (τ_p) со стороны тыльной поверхности плакируемого листа превышает время формирования соединения (τ_c), величина деформирующего импульса определяется из выражения:

,

где τ_c - время протекания пластических деформаций за точкой контакта - время формирования соединения (максимально возможное для конкретных условий сварки взрывом время действия сжимающих напряжений в выбранном сечении зоны соединения, превышающих динамический предел текучести для данного металла (τ_с=1,5÷2,5 мкс));

p_max - величина пикового давления импульса.

Продолжительность действия высокого давления в околошовной зоне ограничена временем прихода волны разгрузки с тыльной поверхности плакируемого листа τ_р=2δ₂/c₀₂ (где c₀₂ - скорость звука в плакируемом листе, δ₂ - толщина плакируемого листа), по истечении которого происходит резкий спад давления до нуля и все деформационные процессы прекращаются.

Интенсивность спада давления, характеризуемая постоянной времени θ определяется из выражения

.

Существенным является тот факт, что в выбранном диапазоне режимов сварки величина θ для каждого материала является постоянной, не зависящей от скорости соударения величиной (для стали марки Ст3сп величина θ равна 0,96 мкс).

,

где ρ₁, ρ₂ и с₀₁, с₀₂ - соответственно плотности и скорости звука в плакирующем и плакируемом листах;

V_с - скорость соударения плакирующего и плакируемого листов (Лысак В.И., Кузьмин С.В. Сварка взрывом. - М.: Машиностроение - 1, 2005. - 544 с., ил.).

Известен способ изготовления плоских биметаллических листов путем сварки взрывом, при котором в результате разгоняющего действия продуктов детонации взрывчатого вещества на плакирующий лист (установленный с зазором по отношению к плакируемому листу) и его соударение с плакируемым листом металл в зоне контакта интенсивно деформируется. При этой плоскопараллельной схеме изготовления биметалла взрывом обеспечивается физический контакт, активация поверхностей и формирование соединения плакирующего и плакируемого листов (патент РФ 2056987, кл. B23K 20/08, опубл. в БИ №9 от 27.03.96 г. - аналог).

Известен также способ сварки взрывом, при котором плакирующий и плакируемый листы устанавливают со сварочным зазором друг над другом с нависанием плакирующего листа над плакируемым, на плакирующем листе располагают контейнер-рамку в виде прямой призмы с прямоугольным четырехугольником у основания (т.е. форма контейнера представляет собой прямоугольный параллелепипед высотой 12 мм с основанием в виде прямоугольника размером 190×510 мм), размещают в контейнер заряд взрывчатого вещества и инициируют его (патент РФ 2116178, кл. B23K 20/08, опубл. в БИ №21 от 27.07.98 г. - прототип).

Мощное, неравномерное силовое воздействие продуктов детонации взрывчатых веществ на свариваемые плакирующий и плакируемый листы приводит к деформации полученного биметаллического листа. При сварке (по прототипу) по параллельной схеме плоских листов это проявляется в их существенном остаточном прогибе f.

Недостаток известного способа связан с тем, что при изготовлении длинномерных биметаллических листов неравномерное действие деформирующего импульса ударной волны в концевых частях свариваемых заготовок приводит к неравномерному относительному утонению, к росту параметров образующихся волн (амплитуды 2а и длины волны λ) на границе соединения плакирующего и плакируемого листов, а также к росту расплавов. А это в конечном итоге приводит к снижению качества изделий из полученного биметалла по известному способу, снижению прочности соединения плакирующего и плакируемого листов в целом и к отсутствию равнопрочности соединения вдоль всей поверхности зоны соединения биметаллического листа.

К недостатку известного способа также следует отнести снижение деформирующего импульса на периферийные участки контактных поверхностей из-за бокового разлета продуктов детонации взрывчатого вещества. А это в свою очередь приводит к краевым непроварам, что также приводит к снижению качества изделий из полученного биметалла по известному способу, снижению прочности соединения плакирующего и плакируемого листов в целом, отсутствию равнопрочности соединения вдоль всей поверхности зоны соединения биметаллического листа и снижению сплошности соединения слоев.

При изготовлении из биметалла корпусов сосудов и аппаратов в химическом машиностроении (и другого оборудования) плакирующий лист должен обеспечивать защиту плакируемого листа (основного слоя) от среды, в которой (без плакировки) основной металл нестоек. При нарушении плакирующего слоя и расслоении соединения между плакирующим и плакируемым листами в сосудах этой группы возможно интенсивное развитие коррозии металла основного слоя, приводящее к нарушению условий безопасной эксплуатации сосуда (оборудования).

Одной из возможных причин отсутствия сплошности и равнопрочности соединения вдоль всей поверхности околошовной зоны биметаллического листа, а также недостаточно высокой прочности соединения плакирующего и плакируемого листов биметалла, полученного известным способом сварки взрывом, является повышенный остаточный прогиб f и неоднородность параметров волнового профиля сварного шва (амплитуды 2а и длины волны λ) вдоль фронта детонации по всей поверхности зоны соединения биметаллического листа.

Основным техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого изобретения, является снижение остаточного прогиба f биметаллического листа и стабилизация параметров волнового профиля сварного шва (амплитуды 2а и длины волны λ) вдоль фронта детонации по всей поверхности зоны соединения, полученной сваркой взрывом.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения крупногабаритных плоских биметаллических листов сваркой взрывом, включающем установку над плакируемым листом со сварочным зазором плакирующего листа с обеспечением его нависания, размещение на плакирующем листе заряда взрывчатого вещества и его инициирование, размещение заряда взрывчатого вещества осуществляют в контейнере, имеющем форму прямой призмы с основанием в виде равнобокой трапеции, с высотой, равной длине плакирующего листа, большее основание которой, равное ширине В_пл плакирующего листа, располагают в начале фронта детонации, а меньшее основание которой составляет 0,98×В_осн ÷ 0,99×В_пл, где В_осн - ширина плакируемого листа, при этом сварочный зазор h выбирают равным (1,5÷2,1)×δ₁, нависание плакирующего листа над плакируемым листом устанавливают в соответствии с направлением детонации L_н=(15÷20)×δ₁; L_б=(7÷10)×δ₁; L_к=(5÷7)×δ₁, где L_н - начальное нависание, L_б - боковое нависание, L_к - конечное нависание, δ₁ - толщина плакирующего листа, обеспечивающим постоянство деформирующего импульса I_д в зоне соударения по всей поверхности плакируемого листа в процессе сварки взрывом, а соотношение значений деформирующих импульсов I_д\I_д ^кр выбирают в пределах от 1,0 до 1,76, где I_д ^кр - критическая величина деформирующего импульса, при которой затрачиваемая на деформацию приконтактных объемов металла энергия обеспечивает необходимую степень активации контактных поверхностей для формирования качественного соединения, см. Фиг.1 и Фиг.2.

Так, изменяя такой установочный параметр как сварочный зазор h, мы можем регулировать скорость разгона плакирующего листа (скорость соударения V_c), обеспечивая оптимальные параметры деформирующего импульса. Было определено, что сварка взрывом при заниженных значениях сварочного зазора (h<1,5×δ₁) не позволит сформироваться надежному соединению (соединение может вообще не сформироваться), т.к. затрачиваемой на деформацию приконтактных объемов металла энергии будет явно недостаточно для обеспечения необходимой (для формирования соединения между плакирующим и плакируемым листом) степени активации контактных поверхностей. При повышении значения сварочного зазора h выше критических величин (h>2,1×δ₁) скорость разгона плакирующего листа может быть столь высока, что при вызванных этим существенных значениях деформирующего импульса нарастание энерговыделения приведет к появлению оплавленного металла в приконтактной зоне, что отрицательным образом скажется на качестве изделий из полученного биметалла. Таким образом, экспериментально было определено оптимальное значение сварочного зазора h=(1,5÷2,1)×δ₁, при котором будет формироваться качественное надежное соединение плакирующего и плакируемого листа. Это в целом приведет к выравниванию распределения деформирующего импульса в зоне соударения по всей соединяемой поверхности и снижению несплошностей и отсутствию оплавлений металла в приконтактной зоне.

Крайне важно при сварке взрывом оптимизировать значение такого установочного параметра как нависание, т.е. превышение размеров плакирующего листа над размерами плакируемого листа. Выбором и поддержанием значений начального L_н и бокового L_б нависаний в определенных границах (L_н=(15÷20)×δ₁; L_б=(7÷10)×δ₁) достигается повышение деформирующего импульса на начальных (по отношению к фронту детонации) и боковых участках соединяемой поверхности, что в целом выравнивает распределение деформирующего импульса в зоне соударения по всей соединяемой поверхности и снижает отрицательный эффект краевого непровара из-за бокового разлета взрывчатого вещества. Следует отметить, что максимальные значения нависаний оптимизированы, исходя из экономии дефицитного материала плакирующего листа и экономии взрывчатого вещества. В результате исследований выявлено, что превышение значений нависаний выше максимальных (L_н>20×δ₁ и L_б>10×δ₁) практически не влияет на выравнивание распределения деформирующего импульса в зоне соударения и приводит к излишнему расходу плакирующего листа и взрывчатых веществ. В результате исследований также выявлено, что использование плакирующего листа с начальным и боковым нависанием менее следующих значений L_н<15×δ₁ и L_б<7×δ₁ приводит к снижению деформирующего импульса в периферийных (начальной и боковых) частях соединяемой поверхности и, как следствие, к краевому непровару и появлению несплошностей.

Недостаток известного способа, связанный с неравномерным распределением деформирующего импульса ударной волны в концевых частях свариваемых листов, приводящий к неравномерному относительному утонению в этой зоне биметаллического листа устраняется использованием при сварке взрывом плакирующего листа с конечным нависанием L_к в пределах (5÷7)×δ₁. В результате исследований выявлено, что превышение значений конечного нависания выше максимальных (L_к>7×δ₁) приводит к резкому увеличению деформирующего импульса в концевой зоне соударения и как следствие - к неравномерному относительному утонению в этой зоне биметаллического листа. Конечное нависание (плакирующего листа над плакируемым) величиной менее 5×δ₁ приводит к снижению деформирующего импульса в концевой части соединяемой поверхности и как следствие - к непровару и появлению несплошностей.

Установлено, что использование нависания в качестве компенсирующего мероприятия для увеличения деформирующего импульса на периферийных участках свариваемых листов не одинаково. В концевых участках (по отношению к направлению детонации) величина нависания выбрана существенно ниже, чем на боковых и начальных. Это связано со спецификой неравномерного распределения деформирующего импульса ударной волны (его резкого возрастания) в концевых частях свариваемых листов.

Для более эффективного снижения неравномерного распределения деформирующего импульса ударной волны в концевых частях свариваемых листов предложено использовать контейнер специальной формы KSVRK₁S₁V₁R₁. В этом контейнере размещают взрывчатое вещество. Контейнер представляет собой прямую призму с равнобокой трапецией KSVR в основании (см. Фиг.1). Большее основание KR равнобокой призмы KSVR располагают у электродетонатора 7, формируя направление детонации. Высота равнобокой трапеции KSVR равняется длине плакирующего листа L_пл. Величина меньшего основания SV трапеции должна находиться в пределах от 0,98×В_осн÷0,99×В_пл. За счет постепенного уменьшения основания трапеции KSVR от большего (KR) до меньшего (SV) основания постепенно меняется количество взрывчатого вещества, размещенного в контейнере в соответствии с направлением детонации. Таким образом, при детонировании взрывчатого вещества, размещенного в контейнере предложенной формы, удалось добиться равномерного распределения деформирующего импульса ударной волны как в начальных, так и в концевых частях свариваемых листов.

Установлено, что использование заполненного взрывчатым веществом контейнера, в основе которого лежит равнобокая трапеция с величиной меньшего основания SV<0,98×В_осн, не позволит осуществить выравнивание деформирующего импульса ударной волны в концевых частях свариваемых листов. В этом случае деформирующий импульс в концевых частях был ниже значений деформирующего импульса в средней части свариваемых листов. При величине меньшего основания SV>0,99×В_пл при прочих равных условиях не удавалось эффективно влиять на выравнивание деформирующего импульса ударной волны в концевых частях свариваемых листов. Деформирующий импульс в концевых частях превышал значения деформирующего импульса в средней части свариваемых листов.

Выравнивание распределения деформирующего импульса в зоне соударения по всей соединяемой поверхности в конечном итоге уменьшает остаточный прогиб биметаллического листа и приводит к стабилизации параметров волнового профиля сварного шва (амплитуды 2а и длины волны λ).

Таким образом, используя контейнер специальной формы для размещения в нем взрывчатого вещества, оптимизируя такие установочные параметры, как сварочный зазор h и величины начального, бокового и конечного нависаний, достигается выравнивание деформирующего импульса в зоне соударения, что в свою очередь, приводит к снижению остаточного прогиба f биметаллического листа и стабилизации параметров волнового профиля сварного шва (амплитуды 2а и длины волны λ) по всей поверхности зоны соединения, полученной сваркой взрывом. Тем самым повышается качество изделий из полученного биметалла - достигается равнопрочное соединение вдоль всей поверхности зоны соединения биметаллического листа, увеличивается прочность и сплошность соединения плакирующего и плакируемого листов. Оптимальный выбор размеров контейнера и значений установочных параметров (сварочного зазора h, начального, бокового и конечного нависаний) с целью достижения выравнивания деформирующего импульса в зоне соударения достигается расчетным путем с использованием специально разработанных компьютерных программ оценки напряженно-деформированного состояния в зоне соударения. Можно также использовать готовые программные комплексы типа ANSYS или др.

Сущность изобретения пояснена чертежами, где на фиг.1 показана плоскопараллельная схема изготовления биметалла путем сварки взрывом, на фиг.2 показан вид сбоку и вид сверху собранного пакета из плакирующего и плакируемого листов перед сваркой взрывом, на фиг.3 показана схема отбора образцов для механических испытаний и для замера параметров волн в полученных сваркой взрывом соединениях, а на фиг.4 показана схема замера параметров образующихся в процессе сварки взрывом волн (амплитуды 2а и длины волны λ) в зоне соединения.

Предлагаемый способ изготовления биметалла сваркой взрывом осуществляется в следующей последовательности (фиг.1).

На жесткое основание 1 устанавливают неподвижный плакируемый лист 2 и над ним с расчетным зазором h, обеспечиваемым фиксаторами 3, располагают плакирующий лист 4. По периметру метаемого плакирующего листа располагают деревянный контейнер 5 специальной формы, ограничивающий область размещения взрывчатого вещества. По поверхности плакирующего листа размещают заряд взрывчатого вещества 6 (смесь аммонита 6ЖВ с кварцевым песком в соотношении 67%/33%, скорость детонации = 2300 м/с) в контейнер длиной L=L_пл, переменной шириной от В_пл до (0,98×В_осн÷0,99×В_пл) и высотой H. При этом контейнер представляет собой прямую призму высотой Н с равнобокой трапецией в основании. Высота L равнобокой трапеции KSVR равна длине плакирующего листа L_пл. Большее основание KR равнобокой трапеции равно ширине плакирующего листа В_пл. Меньшее основание SV трапеции KSVR должно находиться в пределах от 0,98×В_осн до 0,99×В_пл (см. Фиг.1).

При этом метаемый плакирующий лист 4 (см. Фиг.2) имеет длину, большую, чем у неподвижного плакируемого листа 2 на величину начального (L_н) и конечного (L_к) нависаний, и ширину, большую, чем ширина неподвижного плакируемого листа 2 на удвоенную величину бокового нависания (L_б). При помощи установленного электродетонатора 7 инициируют заряд взрывчатого вещества. За счет оптимального выбора размеров контейнера и оптимального выбора значений установочных параметров (сварочного зазора h, начального, бокового и конечного нависаний) получают плоский биметаллический лист с уменьшенным значением остаточного прогиба f и со стабилизированными параметрами волнового профиля сварного шва (амплитуды 2а и длины волны λ) по всей поверхности зоны соединения в результате обеспечения постоянства деформирующего импульса в зоне соударения. Это, в конечном итоге, обеспечивает получение более качественного биметалла с повышенной прочностью соединения слоев и отсутствием несплошностей в зоне соединения.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. На жесткое основание устанавливают неподвижный плакируемый стальной лист марки Ст3сп по ГОСТ 14637-89 размерами 30×1452×2940 мм и параллельно ему метаемый плакирующий лист из стали марки 12Х18Н10Т по ГОСТ 5632-72 размерами 3×1500×3000 мм со сварочным зазором h=1,5×δ₁=4,5±0,1 мм, начальным нависанием L_н=18×δ₁=54 мм, конечным нависанием L_к=6×δ₁=18 мм и боковым нависанием L_б=8×δ₁=24 мм. На метаемом плакирующем листе устанавливают деревянный контейнер KSVRK₁S₁V₁R₁ в виде прямой призмы высотой Н=30 мм с равнобокой трапецией KSVR в основании. Высота L равнобокой трапеции KSVR равна длине плакирующего листа L_пл=3000 мм. Большее основание KR равнобокой трапеции равно ширине плакирующего листа В_пл=1500 мм. Меньшее основание SV трапеции KSVR равно 1450 мм и находится в пределах от 0,98×В_осн (0,98×1452=1422 мм) до 0,99×В_пл (0,99×1500=1485 мм) (см. Фиг.1). Контейнер KSVRK₁S₁V₁R₁ заполняют взрывчатым веществом (смесь аммонита 6ЖВ с кварцевым песком в соотношении 67%/33%, скорость детонации = 2300 м/с).

В нашем случае была реализована симметричная (относительно направления детонации) схема нависаний и сварочного зазора, а также симметричная форма контейнера с размещенным в нем взрывчатым веществом.

После размещения взрывчатого вещества в контейнер сварку взрывом производили при режимах (с оптимально выбранными размерами контейнера и значениями сварочного зазора, начального, бокового и конечного нависаний), которые позволили обеспечить постоянство деформирующего импульса I_Д в зоне соударения по всей поверхности плакируемого листа. Оптимальный выбор размеров контейнера (меньшего основания SV трапеции KSVR), а также значений сварочного зазора, начального, бокового и конечного нависаний (определение минимальных и максимально возможных величин h, L_н, L_б, L_к) с целью достижения выравнивания деформирующего импульса I_Д в зоне соударения было достигнуто расчетным путем с использованием специально разработанной компьютерной программы. При этом величина деформирующего импульса для данной пары плакирующего и плакируемого листов составила I_Д=5,0÷5,2 кН·с/м² (величина I_Д определялась по методике, изложенной в книге: Лысак В.И., Кузьмин С.В. Сварка взрывом. - М.: Машиностроение - 1, 2005. - 544 с., ил.). Достигнутое относительно равномерное распределение деформирующего импульса в зоне соударения в свою очередь привело к снижению остаточного прогиба f биметаллического листа и стабилизации параметров волнового профиля сварного шва. Так, экспериментально установлено, что величина амплитуды волн, образовавшихся на границе соединения плакирующего и плакируемого листов, составила 2а=0,10÷0,14 мм при длине волны λ=0,29÷0,35 мм вдоль всей поверхности соединения, что является достаточно стабильной характеристикой. При этом величина остаточного прогиба f полученного биметаллического листа не превысила 0,5 мм на 1 м длины, что является весьма низким значением для прогиба и характеризует высокое качество биметаллического листа. Все это в целом положительным образом сказалось на качестве полученного биметалла, у которого не было обнаружено расслоений (класс сплошности - не ниже 1 по ГОСТ 10885-85), прочность соединения слоев на срез (сопротивление срезу) определялась по ГОСТ 10885-85 и составила τ_ср=230÷270 МПа, что является хорошим показателем равнопрочности соединения.

В результате проведенных исследований были экспериментально определены значения I_Д ^кр и I_Д ^пред для предлагаемого способа сварки (I_Д ^кр=3,7 кН·с/м²; I_Д ^пред=6,5 кН·с/м²), где I_Д ^кр - критическая величина деформирующего импульса, при которой затрачиваемая на деформацию приконтактных объемов металла энергия обеспечивает необходимую степень активации контактных поверхностей для формирования надежного соединения; I_Д ^пред - предельная величина деформирующего импульса, при которой нарастание энерговыделения вызывает появление оплавленного металла в приконтактной зоне.

Следует отметить, что фактически процесс формирования надежного соединения при сварке взрывом начнет реализовываться при достижении величины деформирующего импульса критических значений I_Д ^кр, при которых затрачиваемая на деформацию приконтактных объемов металла энергия обеспечивает необходимую степень активации контактных поверхностей для формирования надежного соединения. Экспериментально установлено, что сварка взрывом при значениях деформирующего импульса ниже величины I_Д ^кр не обеспечит соединения плакирующего и плакируемого листов. Процесс формирования надежного соединения плакирующего и плакируемого листов сваркой взрывом будет реализовываться вплоть до достижения деформирующего импульса предельной величины I_Д ^пред, превышение которой вызовет резкое нарастание энерговыделения и появление оплавленного металла в приконтактной зоне, что в свою очередь приведет к резкому снижению качества биметалла (снижению прочности соединения плакирующего и плакируемого листов).

Таким образом, для формирования надежного соединения при сварке взрывом необходимым условием является нахождение отношения деформирующих импульсов I_д/I_д ^кр в пределах от 1,0 до 1,76. При отношении I_д/I_д ^кр _{менее 1,0 надежного соединения при сварке взрывом не произойдет, т.е. затрачиваемой на деформацию приконтактных объемов металла энергии будет недостаточно для обеспечения необходимой степени активации контактных поверхностей. При отношении IД/IД ^кр более 1,76 соединение при сварке взрывом произойдет, однако при таких высоких значениях деформирующего импульса нарастание энерговыделения вызовет появление оплавленного металла в приконтактной зоне, что отрицательным образом скажется на качестве изделий из полученного биметалла.}

Для оценки основных характеристик биметалла было проведено сравнительное исследование качества биметалла, полученного по известному и предлагаемому способам.

Так, для исследований параметров остаточного прогиба f и волнового профиля сварного шва из полученного биметаллического листа вырезали образцы для исследований согласно схеме, представленной на фиг.3, из центральной (в точках k, l, m) и периферийной (в точках n, p, r) части биметаллического листа. Вырезанные механическим способом образцы шлифовали, полировали и травили для выявления структуры межслойной границы. Шлифовке подвергали плоскость образца, параллельную направлению детонации. Замер длины волны λ и ее размах (амплитуды) 2а производили с использованием инструментального микроскопа (ГОСТ 8074-82) согласно схеме, приведенной на фиг.4. На фиг.5 представлены структуры межслойной границы с выявленным волновым профилем в точке k - Фиг.5,а), в точке l - Фиг.5,б), в точке m - Фиг.5,в), в точке n - Фиг.5,г), в точке p - фиг.5,д) и в точке r - Фиг.5,е) для биметалла по предлагаемому способу. Для биметалла, изготовленного по известному способу на Фиг.5, представлены структуры межслойной границы с выявленным волновым профилем в точке k - Фиг.5,ж), в точке m - Фиг.5,з).

Из изготовленного биметалла сваркой взрывом по известному способу (прототипу) были вырезаны согласно схеме, приведенной на фиг.3, образцы в точках k, l, m, n, p, r, которые в дальнейшем исследовали на инструментальном микроскопе с целью замера длины волны λ и ее размаха (амплитуды) 2а. В качестве плакирующего и плакируемого листов были использованы аналогичные предлагаемому способу материалы. Кроме того, определяли величину деформирующего импульса I_Д, временное сопротивление разрыву σ_в, предел текучести σ_0.2, относительное удлинение δ₅ и прочность соединения слоев на срез (сопротивление срезу) τ_cp. Отбор образцов для механических испытаний проводили по ГОСТ 7564-97. Испытание на растяжение проводили по ГОСТ 1497-84. Остаточный прогиб f полученного сваркой взрывом биметаллического листа определяли по ГОСТ 26877-91 (см. фиг.3).

Ниже приводим результаты исследований раздельно по каждой точке:

k

I_Д=4,6 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=1,24; σ_в=490 Н/мм²; σ_0.2=241 Н/мм²; δ₅=28%; τ_cp=142 Н/мм²; λ₁=0,25 мм; λ₂=0,23 мм; λ₃=0,24 мм; 2а₁=0,06 мм; 2a₂=0,03 мм; 2а₃=0,07 мм - см. фиг.5,ж).

l

I_Д=4,1 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=1,11; σ_в=465 Н/мм²; σ_0.2=248 Н/мм²; δ₅=32%; τ_cp=185 Н/мм²; λ₁=0,40 мм; λ₂=0,46 мм; λ₃=0,43 мм; 2a₁=0,14 мм; 2a₂=0,15 мм; 2a₃=0,16 мм.

m

I_Д=7,3 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=1,97; σ_в=484 Н/мм²; σ_0.2=251 Н/мм²; δ₅=23%; τ_cp=105 Н/мм²; λ₁=0,72 мм; λ₂=0,76 мм; λ₃=0,74 мм; 2а₁=0,22 мм; 2а₂=0,23 мм; 2а₃=0,23 мм - см. фиг.5,з).

n

I_Д=0,8 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=0,21; образцы для механических испытаний и испытаний на прочность соединения расслоились при их изготовлении.

p

I_Д=1,0 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=0,27; расслоение биметалла из-за краевого непровара.

r

I_Д=1,1 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=0,30; расслоение биметалла из-за концевого эффекта.

Остаточный прогиб f составил 1,1 мм на 1 метр длины.

Из изготовленного биметалла сваркой взрывом по предлагаемому способу также были вырезаны согласно схеме, приведенной на фиг.3, образцы в точках k, l, m, n, p, r, которые в дальнейшем исследовали на инструментальном микроскопе с целью замера длины волны λ и ее размаха (амплитуды) 2а. Ниже приводим результаты исследований раздельно по каждой точке:

k

I_Д=5,0 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=1,35; σ_в=502 Н/мм²; σ_0.2=255 Н/мм²; δ₅=29%; τ_cp=240 Н/мм²; λ₁=0,31 мм; λ₂=0,32 мм; λ₃=0,32 мм; 2a₁=0,11 мм; 2a₂=0,10 мм; 2a₃=0,11 мм - см. фиг.5,а).

l

I_Д=5,1 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=1,38; σ_в=510 Н/мм²; σ_0.2=267 Н/мм²; δ₅=29%; τ_ср=270 Н/мм²; λ₁=0,35 мм; λ₂=0,37 мм; λ₃=0,37 мм; 2а₁=0,10 мм; 2а₂=0,11 мм; 2a₃=0,11 мм - см. фиг.5,б).

m

I_Д=5,3 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=1,43; σ_в=519 Н/мм²; σ_0.2=264 Н/мм²; δ₅=35%; τ_ср=268 Н/мм²; λ₁=0,31 мм; λ₂=0,32 мм; λ₃=0,31 мм; 2а₁=0,12 мм; 2а₂=0,12 мм; 2a₃=0,13 мм - см. фиг.5,в).

n

I_Д=5,2 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=1,41; σ_в=493 Н/мм²; σ_0.2=268 Н/мм²; δ₅=32%; τ_ср=230 Н/мм²; λ₁=0,32 мм; λ₂=0,32 мм; λ₃=0,31 мм; 2а₁=0,11 мм; 2а₂=0,10 мм; 2а₃=0,10 мм - см. фиг.5,г).

p

I_Д=5,2 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=1,41; σ_в=490 Н/мм²; σ_0.2=273 Н/мм²; δ₅=31%; τ_ср=238 Н/мм²; λ₁=0,32 мм; λ₂=0,32 мм; λ₃=0,31 мм; 2а₁=0,11 мм; 2а₂=0,12 мм; 2а₃=0,12 мм - см. фиг.5,д).

r

I_Д=5,1 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=1,38; σ_в=492 Н/мм²; σ_0.2=276 Н/мм²; δ₅=31%; τ_ср=264 Н/мм²; λ₁=0,34 мм; λ₂=0,34 мм; λ₃=0,33 мм; 2а₁=0,13 мм; 2а₂=0,12 мм; 2а₃=0,12 мм - см. фиг.5,е).

Остаточный прогиб f составил 0,5 мм на 1 метр длины.

Таким образом, экспериментально установлено, что величина остаточного прогиба f биметаллического листа по заявленному способу находится на низком уровне - 0,5 мм на 1 метр длины, а величины длин волн λ и ее амплитуд 2а у биметалла, изготовленного по заявленному способу, более стабильны и находятся на уровне λ=0,31÷0,37 мм; 2a=0,10÷0,13 мм. У биметалла, изготовленного по известному способу (по прототипу), λ=0,23÷0,76 мм; 2a=0,03÷0,23 мм, что отличается существенным разбросом данных.

Анализ результатов исследования показал, что достижение поставленного технического результата - снижение остаточного прогиба f биметаллического листа и стабилизации параметров волнового профиля сварного шва (амплитуды 2а и длины волны λ) по всей поверхности зоны соединения - приводит к равнопрочному соединению вдоль всей поверхности зоны соединения биметаллического листа, приводит к увеличению прочности соединения слоев (τ_ср=230÷270 МПа) и к увеличению сплошности соединения слоев.

В биметалле, полученном по известному способу, прочность соединения слоев существенно ниже и составила τ_ср=105÷185 МПа. Кроме того, в периферийной зоне наблюдалось расслоение соединения в результате краевого непровара и концевого эффекта (I_Д=0,8÷7,3 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=0,21÷1,97). Равнопрочность соединения, судя по большому разбросу данных (от расслоения до значений 105÷185 МПа), в данном случае не достигнута.

Так, при относительном постоянстве деформирующего импульса I_Д=5,0÷5,5 кН·с/м² (I_Д/I_Д ^кр=1,35÷1,43) у биметалла, полученного по предлагаемому способу, был достигнут технический результат - снижение остаточного прогиба f биметаллического листа и стабилизация параметров волнового профиля сварного шва.

У биметалла, полученного по известному способу (прототипу), отсутствует стабилизация параметров волнового профиля сварного шва (λ=0,23÷0,76 мм; 2а=0,03÷0,23 мм при значительных колебаниях величины деформирующего импульса I_Д от 0,8 до 7,3 кН·с/м²). При этом величина остаточного прогиба f существенно отличается в большую сторону и составляет 1,1 мм на 1 м длины.

Было установлено, что сварка взрывом с оптимальными размерами контейнера и оптимальным выбором значений установочных параметров (сварочного зазора h, начального, бокового и конечного нависаний), соответствующих постоянству деформирующего импульса I_Д, приводит к снижению остаточного прогиба биметаллического листа и стабилизации параметров волнового профиля сварного шва по всей поверхности зоны соединения, приводит также к равнопрочному соединению вдоль всей поверхности зоны соединения биметаллического листа, приводит к повышению прочности соединения слоев и к повышению сплошности соединения.

Было установлено, что такие отличительные признаки как форма и размеры контейнера, в котором размещается взрывчатое вещество, установка плакирующего листа над плакируемым листом с начальным нависанием L_н=(15÷20)×δ₁; боковым нависанием L_б=(7÷10)×δ₁; конечным нависанием L_к=(5÷7)×δ₁ и со сварочным зазором h=(1,5÷2,1)×δ₁, соответствующие постоянству деформирующего импульса I_Д в зоне соударения по всей поверхности плакируемого листа, а также нахождение отношения деформирующих импульсов I_Д/I_Д ^кр в пределах от 1,0 до 1,76 по отдельности, попарно и в частичной комбинации не приводили к снижению остаточного прогиба f и стабилизации параметров волнового профиля сварного шва (амплитуды 2а и длины волны λ) вдоль фронта детонации по всей поверхности зоны соединения, полученной сваркой взрывом. И только полная комбинация всех отличительных признаков приводит к снижению остаточного прогиба f и стабилизации параметров волнового профиля сварного шва (амплитуды 2а и длины волны λ) вдоль фронта детонации по всей поверхности зоны соединения, полученной сваркой взрывом.

Полученные данные свидетельствуют о резком снижении остаточного прогиба биметаллического листа и стабильности волнообразования при выбранных условиях сварки взрывом по предлагаемому способу за счет достигнутого равномерного распределения деформирующего импульса по всей контактной поверхности вследствие оптимального выбора формы и размеров контейнера (меньшего основания SV равнобокой трапеции KSVR), оптимального выбора значений установочных параметров (сварочного зазора h, начального, бокового и конечного нависаний).

Таким образом, исследования свойств биметалла, изготовленного по заявленному способу, показали, что по механическим свойствам при комнатной температуре (σ_в, σ_0.2, δ₅) он находится на уровне известных аналогов, а по показателям прочности соединения слоев (τ_cp) и сплошности соединения слоев превосходит их за счет снижения остаточного прогиба f и стабилизации параметров волнового профиля сварного шва по всей поверхности зоны соединения при оптимальном выборе размеров контейнера и оптимальном выборе значений установочных параметров (сварочного зазора h, начального, бокового и конечного нависаний).

Изобретение может быть использовано при изготовлении крупногабаритных металлических конструкций. Плакирующий лист с размещенным на нем зарядом взрывчатого вещества устанавливают над плакируемым листом с обеспечением заданного нависания со сварочным зазором заданной величины. Заряд взрывчатого вещества размещают в контейнере в форме прямой призмы с основанием в виде равнобокой трапеции с заданными размерами. Большее основание призмы располагают в начале фронта детонации. Упомянутые заданные параметры выбирают из условия обеспечения постоянства деформирующего импульса I_Д в зоне соударения по всей поверхности плакируемого листа в процессе сварки взрывом. Соотношение значений деформирующих импульсов I_Д/I_Д ^кр выбирают в пределах от 1,0 до 1,76 где I_Д ^кр - критическая величина деформирующего импульса, при которой затрачиваемая на деформацию приконтактных объемов металла энергия обеспечивает необходимую степень активации контактных поверхностей для формирования качественного соединения. Способ обеспечивает снижение остаточного прогиба биметаллического листа и стабилизацию параметров волнового профиля сварного шва вдоль фронта детонации по всей поверхности зоны соединение. 5 ил.

Способ получения крупногабаритных плоских биметаллических листов сваркой взрывом, включающий установку над плакируемым листом со сварочным зазором плакирующего листа с обеспечением его нависания, размещение на плакирующем листе заряда взрывчатого вещества и его инициирование, отличающийся тем, что размещение заряда взрывчатого вещества осуществляют в контейнере, имеющем форму прямой призмы с основанием в виде равнобокой трапеции, с высотой, равной длине плакирующего листа, большее основание которой, равное ширине В_пл плакирующего листа, располагают в начале фронта детонации, а меньшее основание которой составляет 0,98·В_осн ÷ 0,99·В_пл, где В_осн - ширина плакируемого листа, при этом сварочный зазор h выбирают равным (1,5÷2,1)·δ₁, нависание плакирующего листа над плакируемым листом устанавливают в соответствии с направлением детонации L_н=(15÷20)·δ₁, L_б=(7÷10)·δ₁, L_к=(5÷7)·δ₁, где L_н - начальное нависание, L_б - боковое нависание, L_к - конечное нависание, δ₁ - толщина плакирующего листа, в соответствии с обеспечением постоянства деформирующего импульса I_д в зоне соударения по всей поверхности плакируемого листа в процессе сварки взрывом, а соотношение значений деформирующих импульсов I_д/I_д ^кр выбирают в пределах от 1,0 до 1,76 где I_д ^кр - критическая величина деформирующего импульса, при которой затрачиваемая на деформацию приконтактных объемов металла энергия обеспечивает необходимую степень активации контактных поверхностей для формирования качественного соединения.