» » Особенности структуры и свойства сварных соединений, полученных сваркой взрывом
18.01.2016

Сварка взрывом позволяет получить надежное соединение достаточно пластичных металлов с разными твердостью, температурой плавления, коэффициентом линейного расширения.
Для получения неразъемных соединений используют также и другие способы импульсного нагружения — магнитоимпульсный, электроимпульсный и т.п.
Эти способы соединения металлов, основанные на импульсном приложении нагрузки, схожи с другими способами сварки давлением, но имеют также ряд существенных особенностей.
Сварка взрывом или магнитоимпульсным способом позволяет получать неразъемное соединение в условиях упрочнения основного металла и зоны шва.
При соединении металлов в результате воздействия ударных волн большое значение имеет тепловой режим процесса.
Изменение параметров ударно-волнового воздействия позволяет вести сварку импульсными методами, как в твердом состоянии, так и при оплавлении свариваемых заготовок.
При сварке взрывом выделяют три основных источника нагрева, определяющие температурный режим в зоне соединения: тепло, выделившееся при детонации взрывчатого вещества (ВВ); повышение температуры при высокоскоростной пластической деформации под действием ударных волн; нагрев, вызванный адиабатическим сжатием.
Вклад двух последних слагаемых наиболее существенный, так как тепло, выделившееся при детонации BB, в основном рассеивается в окружающей среде и заметно не влияет на температуру свариваемых поверхностей.
Оплавление — не обязательное условие сварки взрывом. Вследствие того что литая структура сварных швов обычно характеризуется пониженной прочностью к для ее исправления требуется легирование или термическая обработка с целью получения высокопрочного соединения, целесообразно применять импульсную сварку в твердом состоянии.
При выборе технологических параметров необходимо учитывать особенность сварки взрывом, заключающуюся в возможности получить требуемую структуру в зоне шва и необходимые свойства соединения без дополнительной обработки.
Процесс соединения двух металлов в твердой фазе (без оплавления) при сварке взрывом состоит из трех стадий.
Первая стадия предусматривает создание физического контакта двух тел, т.е. такого контакта, при котором в результате пластической деформации контактируемых поверхностей происходит их межатомное взаимодействие. При импульсных методах сварки физический контакт легко достигается приложением усилий, намного превосходящих предел текучести материала. Продолжительность протекания первой стадии определяется выражением
ti ={ехр[с(1-1/е)]}"е/e',

где е — относительная деформация соединяемых металлов, определяющая степень сближения поверхностей; с, n — константы; е' — скорость деформации. Следовательно, с увеличением скорости деформации время, необходимое для протекания первой сталии, сокращается.
Вторая стадия состоит в активации контактных поверхностей. Физический контакт предусматривает такое сближение атомов двух соединяемых металлов, при котором возможно их электронное взаимодействие.
Атомы поверхностного слоя активно реагируют с окружающими газами, и прежде всего с кислородом. В результате процесс адсорбции газов на поверхности металлов сопровождается образованием оксидов определенного химического состава.
Поскольку на свариваемых поверхностях практически всегда имеются оксиды, толщина слоя которых больше необходимого для сварки расстояния, то для схватывания металлов при сварке необходимо разрушить эти пленки.
Связь между атомами металла и кислорода в хемосорбированном слое значительно сильнее, чем связь между ними в оксиде, что определяет чрезвычайно высокую склонность металлических поверхностей к адсорбции газов, в частности кислорода.
Таким образом, удаление оксидного слоя еще не означает активирования поверхности металлов, необходимым условием которого является десорбция газов из зоны контакта.
В процессе схватывания твердых тел при сварке в твердом состоянии прочный контакт двух поверхностей, с установлением химической связи между атомами соединяемых тел, первоначально образуется не по всей контактной поверхности, а в определенных активных центрах. Эти центры характеризуются полями упругих искажений, поэтому их образование зависит от дефектов кристаллической рещетки, например дислокаций, выходящих на поверхность контакта.
Сварка взрывом имеет преимущество перед другими методами сварки в связи с тем, что повышение давления в зоне контакта и сопровождающее его повышение температуры обеспечивают образование активных центров в самых различных материалах. Поэтому оказывается возможным соединение сваркой взрывом таких материалов, неразъемное соединение которых другими методами невозможно.
На третьей стадии зона контакта распространяется по поверхности и по объему металла, что сопровождается структурными изменениями слоев металла вблизи поверхности раздела.
При сварке однородных металлов возможно, например, образование ре кристаллизованных зерен, которые растут по обе стороны от границы раздела как от участка с максимальным искажением решетки.
Взаимный массоперенос между разнородными металлами при их с варке ударными волнами сопровождается существенными структурными изменениями, в частности образованием интерметаллидных выделений.
Особенностью сварки взрывом является образование волнистой контактной поверхности, свидетельствующей о высокой степени пластической деформации в зоне соединения, которая способствует повышению прочности соединения. На поверхности контакта образуются регулярные волны определенной длины и амплитуды (рис. 19.9).
Особенности структуры и свойства сварных соединений, полученных сваркой взрывом

Волны синусоидальной и симметричной формы образуются, если сваривают два металла с одинаковыми прочностными характеристиками.
При спаривании металлов различной прочности, например меди и железа, волны заострены в сторону более мягкого металла независимо от того, какой из металлов был неподвижным.
По микроструктуре, приведенной на рис. 19.9, можно определить направление действия детонационной волны. Расположение и форма гребней по контактной поверхности предопределяют локализацию интерметаллидов, образовавшихся в процессе сварки, и участков с повышенной пластической деформацией, направление которой соответствует распространению детонации.
Температурный режим в зоне соединения сваркой взрывом и к переходной зоне (абсолютное значение температуры непосредственно в зоне контакта двух металлов, скорость изменения температуры но времени, а также температурный градиент по глубине переходной зоны) определяет условия аномального массопереноса, формирования структуры в зоне шва, в том числе аморфной структуры,
При воздействии ударной волны охлаждение поверхностного слоя железа толщиной 5—7 мкм происходит уже через 10в-5 с. При давлении ударной волны 10 ГПа, которое соответствует давлениям, применяемым при сварке, температура в этом слое составляет ~ 700 К.
В слое толщиной 30 мкм, в котором происходят наиболее существенные структурные изменения при сварке взрывом, температура адиабатического сжатия устанавливается через 10в-3—10в-2 с.
Аналогичные результаты получены для алюминия. Охлаждение поверхностных слоев в алюминии наступает раньше, чем в железе, благодаря более высокой теплопроводности.
Анализ скорости охлаждения поверхностных слоев свариваемых пластин железа после соударения в зависимости от давления соударения проводился в предположении о распространении тепла от теплового источника в виде первоначально расплавленного поверхностного слоя толщиной 5 мкм. В условиях оплавления при сварке взрывом этот расплавленный слой начинает охлаждаться со скоростью ~ 10в8 К/с.
Слой глубиной 10—20 мкм сначала (в течение 10в-4 с) прогревается со скоростью - 10в8 К/с, но затем температурный режим меняется, и в этих слоях происходит охлаждение со скоростью 10в6—10в7 К/с. Такая скорость охлаждения поддерживается в течение ~ 10в-5—10в-4 с, а затем снижается.
При давлении соударения 40 ГПа картина отличается тем, что охлаждение поверхностного слоя наступает несколько позже из-за более высокой температуры адиабатического сжатия.
Важный вывод, который следует из приведенных расчетов, состоит в том, что столь высокие скорости охлаждения могут обеспечивать получение аморфизированных или ультрадисперсных кристаллических структур в зоне шва.
Структурные изменения, происходящие при сварке взрывом, наблюдаются в пределах определенной зоны — зоны сварного соединения. В ее структуре выделяют: поверхность раздела свариваемых сплавов (ПP), по которой произошел физический контакт и образовалась прочная металлическая связь; зону сварного шва (ЗCШ), претерпевшую наибольшие структурные изменения в процессе соударения; переходную зону (ПЗ), в которой влияние контакта двух металлов сказывается значительно меньше, но еще в полной мере проявляется воздействие ударной волны; основной металл (ОМ) — часть заготовки, структура и свойства которой соответствуют исходному материалу.
Поверхность раздела является обычно наиболее опасным местом, с которого начинается разрушение в связи с образованием интерметаллидов или других соединений, которые, располагаясь по ПР, нарушают контакт двух металлов и являются концентраторами напряжений.
Зона сварного шва представляет собой слой глубиной -0,1 мм в каждой из свариваемых пластин, в котором в процессе сварки происходят наибольшие структурные изменения. При анализе структурных изменений в ЗСШ необходимо учитывать действие импульса высокого давления, интенсивную пластическую деформацию и диффузию компонентов свариваемых сплавов.
Экспериментально показано, что взаимная диффузия элементов при давлениях соударения 6—10 ГПа и более происходит па глубину 10 мкм и более. Вследствие диффузии в ЗСШ, так же как и на ПР, образуются интерметаллиды, формируется химическая неоднородность.
Металлографический и электронно-микроскопический анализ позволили установить в ЗСШ большое число двойников, расположенных по различным плоскостям, свидетельствующее о преимущественно высокоскоростном механизме деформации двойникованием.
При получении сварного соединения Fe-Ti, имеющего важное промышленное значение, как уже указывалось, образуются интерметаллиды Fe2Ti и FeTi, снижающие прочность соединения.
Сварка взрывом листов титана и стали Ст3 сопровождается образованием диффузионного слоя, глубина которого зависит от давления соударения и времени действия импульса.
Macconcpcнос более активно идет из нижней пластины (неподвижной) в верхнюю (движущуюся при сварке взрывом) независимо от материала пластины, что, очевидно, обусловлено более высокой степенью дефектности структуры металла сварного соединения вблизи поверхности раздела со стороны движущейся пластины.
Особенности структуры и свойства сварных соединений, полученных сваркой взрывом

Разница в коэффициентах диффузии для этих металлов в нормальных условиях и при сварке взрывом особенно существенна при низких температурах отжига и сглаживается с повышением температуры.
Значительное влияние на свойства сварных соединений со сталями оказывает перераспределение углерода.
При сварке взрывом стали Ст3 и титана, помимо перераспределения основных элементов, в зоне контакта происходит диффузия углерода из стали в титан, что влияет на свойства сварного соединения.

Микроструктура и авторадиограмма распределения углерода одного и того же участка сварного соединения стали Ст3 и титана представлены на рис. 19.10. Видно, что углерод из стали от поверхности раздела проникает в титан на глубину 10—30 мкм. В прилегающих к поверхности контакта слоях железа наблюдается обезуглероживание. Таким образом, в приграничной зоне биметалла титан — Ст3 за время сварки взрывом 10в-5 с успевает произойти достаточно заметное перераспределение углерода.
Оценка коэффициента диффузии углерода по полученным экспериментальным данным показывает, что D ~ 10в-2 см2/с.
Механизм столь высокой диффузионной подвижности углерода, очевидно, связан с градиентом напряжений в зоне контакта и дислокациями, образующимися на фронте ударной волны, что согласуется с предпочтительной направленностью диффузии от нижней неподвижной пластины в верхнюю (метаемую) с повышенным деформационным наклепом.
Преимуществом сварки взрывом в отличие от многих методов сварки является возможность образования сварного соединения с упрочнением околошовной зоны и основного металла, без их разупрочнения.
Упрочнение вблизи поверхности раздела при сварке в твердом состоянии (рис. 19.11, кривая l) связано с более интенсивной пластической деформацией в данной области, взаимным легированием свариваемых пластин с образованием упрочняющих фаз.
В условиях сварки с повышением выделяющегося при сварке тепла может происходить рекристаллизация или частичное оплавление, что сопровождается снижением твердости в зоне контакта (рис. 19.11, кривые 2, 3).
Особенности структуры и свойства сварных соединений, полученных сваркой взрывом

Быстрозакаленные аморфные металлические сплавы, обладающие высокой твердостью, хорошими магнитными свойствами и коррозионной стойкостью в агрессивных средах, получают в виде тонких лент (толщиной несколько десятков микрометров), отдельных чешуек или порошка.
Для практического использования аморфных сплавов весьма важна возможность получения массивных изделий, заготовок с аморфной структурой.
При выборе методов компактирования порошков и чешуек аморфных сплавов необходимо учитывать, что нагрев до 400—600 °С приводит к кристаллизации исходного аморфного сплава и, как следствие, к частичной или полной потере свойств.
В связи с этим перспективным способом получения массивных изделий из аморфных сплавов следует считать сварку взрывом.
Плакирование быстрозакаленными аморфными сплавами массивных деталей с помощью ударных волн связано с двумя проблемами. Во-первых, ударные волны высокого давления влияют на строение аморфных сплавов и их устойчивость при последующем нагреве. Во-вторых, обычно необходимо получить качественное покрытие лентой из быстрозакаленного сплава без поверхностных дефектов.
При воздействии ударных волн с давлением до 35 ГПа на аморфные сплавы разного состава сохранялось аморфное состояние, хотя методом спектрорентгеноскопии установлено перераспределение элементов, характерное для предкристаллизационного состояния.
Таким образом, под действием ударной волны с давлением 10— 20 ГПа осуществляется сварка, при которой не происходит структурных изменений в быстрозакаленных сплавах, существенно влияющих на их свойства. Это определяет возможность разработки технологии сварки аморфных сплавов с массивной матрицей.
Сложность сварки аморфных металлических сплавов состоит, как правило, в том, что эти сплавы способны деформироваться всего на 1—2 %.
Следовательно, задачей является не столько получение прочного соединения между аморфной лентой и кристаллической основой, сколько сохранение плакирующей ленты без разрушения. В настоящее время экспериментально получены соединения без растрескивания на длине до 25 мм и на площади - 100 мм2.
Волнистая поверхность раздела сварного соединения при сварке взрывом может быть также причиной разрушения в том месте, где расположен гребень волны. Режим сварки должен обеспечивать амплитуду волны по поверхности раздела, не превышающую одной трети толщины ленты.
Разнотолщинность плакирующей исходной ленты обычно приводит к появлению в ней при сварке взрывом, в результате воздействия ударной волны, поверхностных дефектов, повторяющих рельеф ленты.