Исследование тепловых процессов в околошовной зоне при сварке взрывом

Сварка взрывом (СВ), обладая рядом специфических особенностей (сверхбольшими давлениями, реализуемыми в зоне соударения, высокой скоростью процесса и, как следствие, производительностью, возможностью получать соединения без расплавов), используется наряду с другими технологическими способами для создания широкого спектра композиционных материалов.

Являясь высокопроизводительным способом изготовления композиционных материалов, СВ позволяет получать соединения практически любых разнородных материалов с прочностью на уровне свойств основных металлов. Это обусловлено возможностью целенаправленно избегать и исключать из технологического процесса стадии высокотемпературного нагрева для материалов, обладающими неблагоприятными типами металлургического воздействия. Однако резкое различие в физико-механических и теплофизических свойствах свариваемых с помощью СВ биметаллов определяет сложный характер протекания тепловых процессов, влияние которых на образование и свойства сваренного взрывом соединения играет определяющую роль. Существующие представления позволяют выделить три основных источника тепла в порядке увеличения их вклада в общий баланс тепла.

1) Нагрев метаемой пластины продуктами детонации взрывчатого вещества (ПД ВВ). Различные исследователи (Лысак В.И., Пай В. В., Трофимов В. Г., МсОееп дают оценку 1−7% от общего количества тепла в ОШЗ, при этом исследователи связывают действие этого источника лишь с увеличением среднего значения энергии, аккумулированной в метаемой пластине, и полагают незначительным его влияние на процессы, протекающие на границе соединения. Однако это влияние может быть достаточно существенным при сварке относительно тонких пластин (фольг) с высокими теплопроводящими свойствами.

2) Нагрев поверхностей пластин потоком ударно сжатого газа впереди точки контаю-а. Исследованиями этого вопроса занимались Ишут — ¦ ¦ II1- 1 1 И I ¦! ' I ', I/, ', I !' ,(', 11 к кин С.Н., Кирко В. И., Симонов В. А., Конон Ю. А., Кудинов В. М., Коротеев А. Я., Захаренко И. Д., Первухин Л. Б. и др. Оценка вклада этого источника колеблется от 2 до 6%, а его влияние исследователями полагается значительным и доказанным лишь при сварке протяженных (крупногабаритных) листов биметалла.

3) Нагрев металла за счет пластической деформации, обусловленной косым соударением пластин. Общепризнанным по мнению авторов (Седых B.C., Кузьмин C.B., Трыков Ю. П., Шморгун В. Г., Сонное А. П., Кривенцов А. Н., Пеев А. П. и др.) является определяющий вклад этого источника тепла (87−97%) в общий баланс энергии, выделяемой в сваренном пакете. Процесс описывался различными математическими моделями: с использованием мгновенных источников тепла, источников конечной ширины, распределенных источников, в том числе, источников, пропорциональных эпюрам остаточной пластической деформации ОШЗ. Однако экспериментального подтверждения и адекватной математической модели протекания тепловых процессов от действия такого источника до сих пор нет.

Таким образом, несмотря на обширные и подробные изыскания, единой и общепризнанной математической модели, описывающей тепловые процессы при СВ не создано, а имеющиеся модели носят частный и несистемный характер и не имеют под собой общей базы, поэтому полное решение тепловой задачи при СВ остается актуальным и позволило бы уже на стадии технологического проектирования целенаправленно управлять параметрами режима сварки, обеспечивая благоприятную тепловую ситуацию в ОШЗ.

Целью настоящего диссертационного исследования явилось создание научно обоснованных подходов целенаправленного управления тепловыми процессами в ОШЗ соединений при сварке взрывом. I ь r (, (., ^ 5.

Научная новизна состоит в выявлении закономерностей протекания тепловых процессов в околошовной зоне композитов при сварке взрывом.

Разработаны новые расчетно-экспериментальные методы исследования тепловых процессов, протекающих при сварке металлов взрывом, основанные на применении естественных и локальных термопар и позволяющие достоверно строить температурные поля в ОШЗ и термические циклы сварки.

Показано и экспериментально подтверждено, что тепло, выделяющееся в ОШЗ при сварке взрывом за счет сдвиговой пластической деформации дтах, распределяется по толщине металла пропорционально эпюрам дтах (у). В связи с этим тепловую ситуацию в ОШЗ, обусловленную деформационными процессами, можно связать с действием мгновенного распределенного источника тепла переменной мощности Я (у)=к-дтах (у).

Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что в тепловом балансе ОШЗ необходимо учитывать тепло, выделяющееся при детонации ВВ, за счет которого температура контактирующих слоев металла может повышаться (при одновременном уменьшении ее градиента), приводя к оплавлению последних. Максимально этот эффект проявляется при метании тонколистовых материалов (фольг) с высокой теплопроводностью.

На защиту выносятся:

— разработанные расчетно-экспериментальные методики исследования тепловых процессов, протекающих при сварке металлов взрывом, позволяющие достоверно строить температурные поля в ОШЗ и термические циклы сварки;

— результаты экспериментального исследования тепловых процессов в сечении ОШЗ обусловленных нагревом металла за счет косого соударения пластин и их пластической деформации;

— результаты оценки нагрева метаемого элемента продуктами детонации ВВ и влияния последних на тепловую ситуацию на границе соеди6 нения при сварке тонких пластин (фольг) с высокими теплопроводящими свойствами;

— результаты экспериментального исследования эффекта предварительного подогрева от воздействия ударно-сжатого газа впереди точки контакта;

— специализированное программное обеспечение для моделирования тепловых процессов и расчета параметров взаимодействия разнородных металлов и сплавов при СВ;

— разработанные на основе проведенных исследований технологические процессы изготовления сваркой взрывом медно-алюминиевых заготовок с минимальной структурной и химической неоднородностей на границе соединения.

Работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературных источников и приложения, содержит 141 страниц машинописного текста, 73 рисунка, 5 таблиц.

В первой главе проанализированы основные схемы и параметры сварки взрывом, а также роль тепловых процессов в образовании соединения и их влияние на свойства сваренных взрывом композитов.

Показано, что несмотря на обширные и подробные исследования в этой области, на настоящий момент единой точки зрения и подхода в изучении тепловых процессов в условиях СВ не существует, а всевозможные упрощения и допущения при решении тепловой задачи в условиях СВ дают лишь качественную картину, справедливую в определенных сечениях и на ограниченных отрезках времени, и не позволяют рассматривать тепловые процессы в динамике, которая и определяет условия формирования сварного соединения и его свойства.

На основании этого сформулирована цель диссертационного исследования и определены необходимые задачи для ее достижения.

Во второй главе описаны разработанные оригинальные расчетно-экспериментальные методики:

— расчета распределения температур по сечению сваренных взрывом материалов на основе сопоставления эпюр реализуемых остаточ.

V.-.. '. ¦, , /. .¦¦>': ', ¦ ¦ 7.

4 <. '" .у1, — .',.. ., ¦•]>•'¦: ¦ ¦, ¦ «г ¦. >. 1.

1 и И, •< ' ' ' у,.. • 1, • ных пластических деформаций и выделившегося в ОШЗ тепла, а также на основе известных термических циклов сечений ОШЗ, вовлеченных в пластическую деформацию;

— оценки влияния ударно сжатого газа и процессов, протекающих в сварочном зазоре впереди точки контакта на тепловую ситуацию в ОШЗ и определения термических циклов любого сечения ОШЗ с использованием медно-константановых датчиков специальной конструкции.

Третья глава посвящена исследованию тепловых процессов, обусловленных действием различных источников тепла и изучению их особенностей.

С использованием разработанной методики доказан факт пропорциональности выделяющегося тепла эпюрам остаточной пластической деформации и получены достоверные начальные (на момент окончания деформационных процессов) распределения температур в сечении ОШЗ. Численный расчет выравнивания полученных температурных полей позволяет определять термические циклы в любом сечении композита, и, соответственно, температуры, до которых он нагревается, скорости охлаждения и нагрева, а также время пребывания в определенном диапазоне температур. («» ,.

Расчетным путем сделана оценка нагрева метаемого элемента продуктами детонации ВВ. Установлено, что при сварке тонких метаемых пластин с высокими теплопроводящими свойствами тепловой поток от ПД ВВ, помимо того, что несколько увеличивает максимальную температуру на границе соединения неподвижной и метаемой пластины, способствует также уменьшению градиента температур в последней. Это приводит к стеснению теплового потока и замедлению процессов выравнивания температурного поля, что уменьшает скорость охлаждения границы контакта. В случае, если свариваются материалы с резко отличающимися температурами плавления, например, медь (метаемая пластина) с алюминием, такая прибавка к температурам, реализуемым в меди, способна приводить к интенсивному оплавлению прилегающих слов в1'Л '. ' * 8 алюминия за счет дополнительного притока тепла со стороны медной пластины.

Впервые показано, что тепловое влияние потока ударно-сжатого газа впереди точки контакта может быть значительным (разница в полученном тепле для двух сечений, расположенных в начале и в конце сварки, и предположительно обусловленная тепловым воздействием ударно-сжатого газа, составила не менее 8% от общего количества тепла, заключенного в дальнем от начала сварки сечении) даже при сварке относительно коротких пластин.

Экспериментально выявлен характер распределения теплоты по сечению соударяемых пластин от воздействия теплового потока из ударно-сжатого газа за время его воздействия (порядка десятков мкс). Полученные результаты показывают, что металл может прогреваться в зависимости от его теплофизических свойств на существенную глубину (0,3−1 мм), что необходимо учитывать при рассмотрении общей тепловой ситуации и условий образования соединения.

Четвертая глава посвящена практической реализации результатов исследования. В ней описано специализированное программное обеспечение (ПО), созданное по результатам проведенных исследований^, д.

— ПО расчета параметров взаимодействия разнородных металлов и сплавов при импульсном нагружении, позволяющее выполнять следующие задачи: проектирование технологических режимов сварки взрывом композиционных материалов по заданным физико-механическим свойствам свариваемых материалов, технологическим параметрам взрывчатых веществ, расчет динамических и энергетических параметров сварки взрывом по заданным технологическим;

— ПО для моделирования тепловых процессов, позволяющее строить температурные поля сварки взрывом с использованием известных термических циклов сечений ОШЗ и на основе сопоставления тепла, выделяемого в локальном объеме, с реализуемыми в нем остаточными пластическими деформациями, а также рассчитывать выравнивание полученных температурных полей с течением времени в любом сечении. 1 9.

Ль.

На основании обобщения и анализа результатов проведенных исследований с применением ПО разработаны технологические процессы изготовления СВ медно-алюминиевых заготовок для ОАО «ВГАЗ-СУАЛ-Ремонт» с целью минимизации структурной и химической неоднородно-стей на границе соединения.

В рамках выполнения госконтракта № 02.52.312.3021 с ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» разработаны технологические процессы изготовления СВ медно-алюминиевых композитов с наноструктурированной медной фольгой, включающие в себя применение стальной фальш-пластины, накладываемой на метаемую медную фольгу, с целью исключения теплового влияния продуктов детонации ВВ.

Диссертационную работу завершают основные выводы. Список используемой литературы включает 117 наименований. В приложении к работе приведены акты внедрения, подтверждающие практическую ценность и актуальность данного исследования.

Работа выполнена на кафедре «Оборудование и технология сварочного производства» Волгоградского государственного технического университета.

В заключение автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, д.т.н, проф., Заслуженному деятелю науки РФ В. И. Лысаку, определившему основную идею и направление работы, д.т.н, проф. C.B. Кузьмину за ценные советы и замечания по материалам диссертации, а также за неоценимую помощь в создании программных средств в составе расчетно-экспериментальных методик, с.н.с. Ю. Г. Долгому за постоянную помощь при планировании и обсуждении результатов экспериментов. г ' «1<11 ?•» v i t H/!h.

S il.

ПгН «' '.

Общие выводы.

1. Разработаны новые расчетно-экспериментальные методики исследования тепловых процессов, протекающих при сварке металлов взрывом, с применением естественных и локальных термопар, позволяющие строить температурные поля в ОШЗ и термические циклы сварки.

2. С использованием разработанных методик показано и экспериментально подтверждено, что тепло, выделяющееся в ОШЗ при сварке взрывом за счет сдвиговой пластической деформации дтах, распределяется по толщине металла пропорционально эпюрам дтах (у). В связи с этим тепловую ситуацию в ОШЗ, обусловленную деформационными процессами, можно связать с действием мгновенного распределенного источника тепла переменной мощности я (у)=к-дтах (у), что позволяет строить температурные поля в ОШЗ и термические циклы сварки.

3. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что в процессе метания тонких пластин (фольг) тепло, выделяющееся при детонации ВВ может существенно влиять на тепловой баланс ОШЗ и условия образования соединения, повышая температуру границы соединения и уменьшая градиент температур в последней, приводя к снижению скоростей охлаждения, что в случае сварки материалов с резко отличающимися температурами плавления, дает прибавку к температурам, реализуемым в метаемой пластине, и приводит к оплавлению прилегающих слов в неподвижной пластине за счет дополнительного притока тепла со стороны метаемой. Максимально этот эффект проявляется при метании тонколистовых материалов (фольг) с высокой теплопроводностью.

4. Экспериментально установлено, что поверхностные слои свариваемых элементов, находящиеся перед точкой контакта, нагреваются на значительную глубину, причем в зависимости от теплофизиче-ских свойств и удаленности сечения ОШЗ от свободной поверхности последние могут претерпевать как стадии нагрева, так и охлаждения. I.

— V.

5. Разработано специализированное программное обеспечение для моделирования тепловых процессов, позволяющее строить температурные поля сварки взрывом на основе известных термических циклов сечений ОШЗ и на основе сопоставления тепла выделяемого в локальном объеме с реализуемыми в нем остаточными пластическими деформациями, пакет прикладных программ (ППП) для расчета параметров взаимодействия разнородных металлов и сплавов в условиях сварки взрывом позволяющий рассчитывать динамические и энергетические параметры процесса СВ по заданным технологическим.

6. Полученные результаты послужили основой для разработки технологических процессов изготовления СВ медно-алюминиевых композитов с наноструктурированной медной фольгой в рамках выполнения г/контракта № 02.52.312.3021 с ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», для оптимизации режимов сварки взрывом медно-алюминиевых заготовок с целью минимизации структурной и химической неоднородностей на границе соединения (количества оплавов) для ОАО ВГАЗ. Экономический эффект достигнут за счет более высоких эксплуатационных свойств соединений, применяемых в контактных узлах, и составил около 3,3 млн руб. (доля автора 20%).