21.12.2014

Использование энергии взрыва в металлообработке известно с конца XIX века. Первое сообщение о сварке взрывом появилось в 1944 г. Эффект сварки металлов взрывом был получен в процессе исследования механизма действия кумулятивных зарядов советскими учеными под руководством академика М.А. Лаврентьева. Примерно в это же время в США во время испытания взрывчатых веществ наблюдали соединение двух тонких латунных дисков, используемых для установки заряда. Однако как технологический процесс получения многослойных металлов сварка взрывом получила развитие в России с 1961 г., когда в институте гидродинамики АН России B.C. Седых, А.А. Дерибас и Е.И. Тришин получили этим методом и исследовали соединение пластин из низкоуглеродистой и высокомарганцовистой марок стали.
Сварка взрывом

Различают две схемы сварки взрывом: параллельную и угловую. Na опоре (грунте, бетоне, металлической плите) располагают неподвижную (основную) пластину, над которой на некотором расстоянии параллельно или под небольшим углом а располагают метаемую пластину (плакирующий слой). На метаемую пластину непосредственно или через защитную прослойку укладывают заряд взрывчатого вещества (SB) и устанавливают детонатор. При инициировании BB по заряду распространяется детонационная волна со скоростью D, и под действием высокого давления расширяющихся продуктов взрыва отдельные участки метаемой пластины последовательно приобретают скорость V0 порядка нескольких сотен метров в секунду, поворачиваются относительного своего первоначального положения и через некоторое время (10в-3*10в-6 с) соударяются С неподвижной пластиной. Детонация - процесс химического превращения SB, сопровождающийся выделением теплоты и газообразных продуктов и распространяющийся с постоянной скоростью, превышающей скорость звука в данном веществе. В месте соударения развивается давление, во много раз превышающее динамическую прочность металлов свариваемых пластин. В результате косого соударения пластин при правильно выбранных параметрах процесса в зоне контакта происходят частичная очистка соединяемых поверхностей, их активация и образование прочной межслойной связи.
Взрыв с физической точки зрения - очень быстрое выделение энергии, связанное с внезапным изменением состояния вещества. Переход энергии при взрыве из потенциальной в кинетическую сопровождается образованием ударной волны и совершением механической работы.
Перемещающаяся область сжатия, отделенная резкой границей от остальной среды, до которой еще не дошло действие взрыва, называется ударной волной, ее прохождение характеризуется скачкообразным изменением показателей среды: давления, плотности, температуры. За фронтом ударной волны эти показатели изменяются почти мгновенно, а перед фронтом - остаются на исходном уровне.
Для оценки максимальной скорости полета метаемой пластины используют зависимости, полученные для случая одномерного метания пластины
Сварка взрывом

где р0 и рМе плотность соответственно заряда и металла метаемой пластины; Hвв и δ1 - толщина соответственно слоя взрывчатого вещества и метаемой пластины; r - отношение массы взрывчатого вещества к массе метаемой пластины; V - скорость соударения (V0 = 400-800 м/с); D - скорость детонации (D = 1500-8000 м/с).
Необходимые условия для сварки:
- скорость соударения (пластическая деформация + сварка) должна быть меньше скорости детонации;
- скорость сварки не должна превышать скорости прохождения звука в свариваемых металлах.
Сварка взрывом

При использовании взрывчатого вещества (BB) с малой скоростью детонации свариваемые пластины располагают параллельно друг другу. Чтобы увеличить скорость соударения (приблизить ее к скорости детонации), метаемую пластину располагают под углом. Так как метаемая пластина при этом испытывает двойной перегиб, применение малопластичных марок стали затруднено.
Сварка взрывом

Давление, вызываемое взрывом, во много раз превышает предел текучести обрабатываемых материалов, поэтому металлы приобретают новые свойства: σв увеличивается примерно в пять раз; возможно образование железа с гексагональной плотноупакованной кристаллической решеткой (Р=115 кбар, T<500°С); температура плавления увеличивается на 100°С; давление увеличивается на 50 кбар.
В условиях высоких скоростей соударения пластин под действием значительных давлений продуктов взрыва и развивающихся при этом температур происходит пластическое течение поверхностных слоев подобно жидкости (значительная пластическая деформация, нарушающая плоскостность свариваемых поверхностей). Энергия активации носит механический характер: на контакте сварки происходит сближение до атомных уровней и механическое взаимное перемешивание движущихся поверхностных слоев металлов под действием ударных давлений. На контактной поверхности развиваются высокие температуры, в результате чего в околошовных зонах могут происходить процессы отдыха (а иногда и рекристаллизация) наиболее деформированных слоев.
Сварка взрывом

Время схватывания при сварке взрывом 10в-7 с. Процессы диффузии не успевают пройти, поэтому после сварки взрывом изделия подвергают либо термической обработке, либо горячей прокатке.
Достоинства сварки взрывом:
- дешевизна (1 кг BB в советские времена стоил 10-12 коп,);
- малые расходные коэффициенты (1,05-1,1 вместо 2,0 при горячей прокатке);
- возможность сварки разнородных металлов (сталь - нержавейка, сталь - латунь, сталь -алюминий, сталь - титан и др.);
- возможность сварки сложных поверхностей, слоистых изделий, волокон);
- возможность сварки многослойных пакетов (до 20 слоев), получение армированных композитов (увеличение прочности в 4-5 раз).
Сварка взрывом

Имеются полигоны для осуществления сварки взрывом в ОАО «НОСТА» (г. Новотроицк), в г. Нытва, Там получают листовой биметалл. Площадь свариваемых листов 5-10 м2; основной лист (сляб) стальной толщиной 10,0-150,0 мм, метаемый лист - из нержавеющей стали или титана толщиной 2,0-10,0 мм.
Недостатки способа сварки взрывом:
- опасность взрыва (сложность хранения);
- много шума, что требует удаления от жилья, спец. полигонов.
Взрыв применяют для одновременного сваривания патрубков с дном котлов на атомных электростанциях.
Методом сварки взрывом можно получить любые сочетания металлов и сплавов. Наиболее целесообразно и экономически оправдано применение сварки взрывом для соединения таких композиций, которые невозможно или весьма затруднительно получить другими методами: сталь-свинец, сталь-серебро, сталь-титан, сталь-медь, сталь-латунь в виде толстых крупногабаритных листов.
Помимо формообразования взрыв применяют для формоизменения и упрочнения металлов,
С целью формоизменения взрыв применяют для штамповки линз локаторов и днищ цистерн. При этом, что очень важно, в местах изгиба листовой заготовки отсутствует утонение, которое неизбежно возникает при классическом способе штамповки
Преимущества процесса формоизменения с помощью целенаправленного взрыва: дешевизна матрицы; быстрота; компактное и недорогое оборудование; нет больших затрат энергии; высокое качество получаемых изделий.
Сварка взрывом

Взрыв применяют для упрочнения металлических изделий. Необходимое условие D - Vзвука в металле.
При этом изменяются структура и плотность дислокаций только в поверхностном слое (на несколько миллиметров). Дальше дислокации не успевают пройти, так как дислокации движутся со скоростью звука в металле, что меньше скорости детонации. При упрочнении металлов с помощью взрыва в очаге возникает давление 200000-1000000 атмосфер. В России упрочняют стрелки на железных дорогах. В США упрочняют и головки железнодорожных рельсов При этом твердость изделий возрастает с 280 до 360 ед. Упрочняют также зубья экскаваторов, конусы дробилок и др. Причем одновременно происходит отбраковка изделий (зубья с трещинами разрушаются). Простой и дешевый способы упрочнения. Сварку, штамповку с помощью взрыва применяют в Новосибирске, Минске, Харькове.
С целью формообразования взрыв также применяют для спекания порошков в порошковой металлургии.