НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОЗВАРЮВАННЯ ІМ. Є.О. ПАТОНА

Добрушін Леонід Давидович

УДК 621.791.76:621.7.044.2

СТВОРЕННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ

ПРЕЦИЗІЙНОГО ЗВАРЮВАННЯ ВИБУХОМ ЕЛЕМЕНТІВ МЕТАЛОКОНСТРУКЦІЙ

Спеціальність 05.03.06 Зварювання та споріднені технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України

Науковий консультант: | доктор технічних наук, професор

Петушков Володимир Георгійович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, завідуючий відділом

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Борисевич Володимир Карпович,

Міжнародний НДІ нових технологій і матеріалів Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського ХАІ, директор

доктор технічних наук, професор

Лисак Володимир Ілліч,

Волгоградський державний технічний універси-тет, проректор по НДР, завідуючий кафедрою зварювального виробництва

доктор технічних наук, професор

Харченко Геннадій Костянтинович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН

України, провідний науковий співробітник

Провідна установа: | Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” МОН України, м. Київ

Захист відбудеться "10" грудня 2003 р. о 10:00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України: Україна, 03680, м. Київ-150, вул. Боженка, 11.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України: Україна, 03680, м. Київ-150, вул. Боженка, 11.

Автореферат розісланий "5" листопада 2003 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук Киреєв Л.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний рівень розвитку зварювального виробництва характеризується подальшим розширенням номенклатури зварюваних матеріалів, що обумовлює необхідність розробки й застосування нових способів і технологій їх зварювання. При цьому зростає потреба у виробництві й ремонті елементів металоконструкцій, у яких використовуються різнорідні матеріали з різко відмінними фізико-механічними властивостями, в тому числі на основі сплавів високої міцності та жароміцних, а також тугоплавких металів і їх сплавів. Зварювання вибухом (ЗВ), в силу притаманних йому особливостей і переваг, є одним з ефективних і перспективних процесів виробництва й ремонту таких елементів металоконструкцій.

Однією з головних причин, що стримують розширення сфери застосування ЗВ, є те, що вибух як такий, є достатньо потужним робочим інструментом. До того ж ККД процесу ЗВ при використанні найбільш поширених схем зварювання низький і складає 0,5…3 %. Ці обставини не є перешкодою для тих областей виробництва, в яких ЗВ застосовується особливо широко – виготовлення біметалів і багатошарових композиційних матеріалів у вигляді заготовок і напівфабрикатів з наступною переробкою під конкретні маловимірні вироби. Однак, вони є сильними обмежуючими факторами для застосування ЗВ у “конструкційному зварюванні”, коли зварювання виконується на готовій конструкції, а отримане з’єднання (виріб) у більшості випадків не зазнає подальшої переробки, оскільки неминуче вибухове навантаження конструкції може призвести до втрати її геометричної точності, неприпустимих залишкових деформацій і навіть руйнування. Тому проблема створення таких технологій ЗВ, які могли б бути широко використані при вирішенні задач зі зварювання елементів металоконструкцій, які чутливі до імпульсного навантаження та супутніх залишкових деформацій, є достатньо актуальною.

Слід виділити в окремий клас задачі “конструкційного ЗВ”, які пов’язані з необхідністю отримання високоякісних зварних з’єднань на обмеженій або, навпаки, відносно протяжній поверхні конструкцій зі збереженням або забезпеченням на прецизійному рівні заданих геометричних характеристик і потрібних службових властивостей зварних з’єднань і конструкцій у цілому. Стосовно до вирішення вказаного класу задач ЗВ запропоновано класифікувати як прецизійне ЗВ (ПЗВ).

Сформулюємо ряд спеціальних вимог, що пред'являються до умов реалізації процесу ПЗВ і отриманих зварних з'єднань, а саме:

P дозування рівня імпульсної дії на конструкцію або її елементи при вибуховому навантаженні;

P виключення або забезпечення допустимої величини залишкових деформацій конструкції при зварюванні (плакуванні);

P одержання з’єднань, що характеризуються жорсткими вимогами по геометрії і мають задані службові властивості;

P висока відтворюваність заданих параметрів заряду вибухової речовини (ВР) і режимів одержання міцного зварного з’єднання;

P висока безпека виконання вибухозварювальних робіт і можливість їх проведення в цехових умовах;

Перераховані вимоги до ПЗВ обумовили необхідність проведення комплексу досліджень, направлених на вияснення і оптимізацію умов утворення з’єднання поблизу нижньої межі (НМ) області ЗВ межі, що відповідає мінімальним швидкостям співударяння; дослідження режимів і технологічних схем процесу зварювання, які відрізняються можливістю дозування імпульсного навантаження; розробку спеціальних опорних пристроїв, що забезпечують допустимі величини деформації конструкції, а також пов’язаних із вирішенням інших суміжних наукових і прикладних задач.

Актуальність теми дисертаційної роботи додатково підтверджується тим, що вона виконана в рамках Державної науково-технічної програми “Нероз’ємні з’єднання і покриття нових конструкційних матеріалів” (шифр проблеми 0.72.01) і у відповідності з планами Відомчого замовлення Національної академії наук України (НАНУ): 1.6.1.36.20 (номер Державної реєстрації 01860078795); 1.6.1.36.6 (0197U014748); 1.6.1.36.33 (0102U005769), а також за окремими госпдоговорами і контрактами, укладеними з вітчизняними та зарубіжними замовниками.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в науковому обгрунтуванні і створенні промислових технологічних процесів прецизійного зварювання вибухом елементів металоконструкцій різних типів та призначення із забезпеченням заданих геометричних характеристик і потрібних службових властивостей зварних з’єднань елементів і конструкцій у цілому.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв’язати наступні основні задачі:

1. дослідити вплив твердості і густини з’єднуваних металів, а також якості підготовки їх поверхні на параметри мінімального імпульсного навантаження, яке забезпечує міцне зварене з’єднання;

2. оцінити ефективність використання ВР із надзвуковою (по відношенню до швидкості звуку в металі ) швидкістю детонації D для зменшення надмірного імпульсу залишкового тиску продуктів детонації ВР;

3. вивчити особливості внутрішнього плакування вибухом трубчатих конструкцій, встановити причини обмеження досяжної довжини плакування і розробити технологічні схеми протяжного плакування;

4. дослідити можливості підвищення ККД вибуху на основі розробки схем ЗВ у частково замкнутому об’ємі зварюваних елементів конструкцій, в тому числі з використанням мініатюрних за масою зарядів ВР;

5. визначити параметри напружено-деформованого стану (НДС) конструкцій (динамічного і залишкового) при їх імпульсному навантаженні і розробити пристрої захисту від надмірних залишкових деформацій;

6. розробити промислові технологічні процеси ПЗВ для розв’язання різних задач виробництва і ремонту елементів металоконструкцій, по відношенню до яких ПЗВ являється затребуваним.

Об’єкт дослідження. Процес ЗВ стосовно до виробництва і ремонту оболонкових тонкостінних, трубчатих протяжних і плоских товстолистових, у тому числі багатоелементних, металоконструкцій.

Предмет дослідження. Технологічні процеси ПЗВ елементів перерахованих типів металоконструкцій з одно- і різнорідних металів, у тому числі з різко відмінними фізико-механічними властивостями.

Методи дослідження. Теоретична частина роботи базується на застосуванні аналітичних методів дослідження фізико-механічних процесів у зоні формування з’єднання і характеру НДС конструкції при її імпульсному навантаженні в технологічних режимах ЗВ, а також комп’ютерного моделювання. Експериментальна частина виконана за допомогою методів оптичної, растрової і просвічуючої мікродифракційної електронної мікроскопії та ін., механічних випробувань зварних з’єднань на відривання шарів, розтягування, згинання та ін., а також розроблених оригінальних методик. Вимірювання параметрів НДС конструкцій у процесі і після їх навантаження вибухом проводили методом багатоканального широкосмугового тензометрування. Достовірність результатів дослідження дисертаційної роботи забезпечується успішною реалізацією розроблених технологічних процесів ПЗВ на натурних виробах відповідальних металоконструкцій.

Наукова новизна отриманих результатів. Основним положенням роботи, що містить вирішення актуальної науково-технічної задачі, є створення науково обгрунтованих підходів до керування дозуванням імпульсного навантаження і деформації елементів металоконструкцій для здійснення їх прецизійного зварювання вибухом. Наукова новизна в рамках суті цих підходів та отриманих результатів полягає у наступному:

P показано, що критерієм виникнення пластичних деформацій у зоні формування з’єднання при ЗВ металів є виконання умови рівності сум їх динамічної твердості та інерційного опору деформуванню в точках співударяння “бугрів деформації” або кумулятивних струменів з протилежними поверхнями з’єднуваних металів. Таке формулювання критерію вперше дало можливість пояснювати і передбачати вплив відмінностей у твердості і густині різнорідних металів на режим формування і якість отримуваних з’єднань на НМ процесу ЗВ;

P показано, що для утворення з’єднання металів у режимах, близьких до НМ області ЗВ, глибина зони пластичної деформації приповерхневих шарів металів повинна бути, по крайній мірі, не меншою середньої висоти нерівностей поверхні і товщини оксидної плівки. При порівнянності глибини цієї зони з висотою нерівностей і товщиною оксидної плівки теоретично граничний кут співударяння для металів, на поверхні яких вони відсутні, визначається як 0,7 реально необхідного для їх зварювання;

P вперше виявлено, що якщо при ЗВ гомогенних за фазовим складом сплавів пластична деформація в зоні зварювання здійснюється переважно за механізмом утворення розвинутих смуг зсуву, то при ЗВ сплавів, які містять зміцнюючі фази, поширення смуг зсуву утруднене необхідністю їх переорієнтації при зіткненнях із вказаними фазами. Показано, що хімічна обробка (травлення) поверхні повністю видаляє з неї зміцнюючі фази та знижує їх вміст на глибину до кількох десятків мікрометрів, що дозволяє поліпшити зварюваність;

P при метанні пластини з алюмінієвих сплавів ВР з відбувається її руйнування у вигляді відколу ще до співударяння з основною пластиною. Вперше встановлено, що наступне співударяння поверхонь відколу викликає їх пластичну деформацію з утворенням зони з розшаруванням або “другої” межі зварювання. Однак для реалізації останньої потрібне збільшення швидкості співударяння. Застосування додаткової, “протекторної” пластини дозволяє усунути розшарування пластини, яку метають, без збільшення її швидкості в результаті зміщення відколу на поверхню контакту між цими пластинами;

P показано, що у стінці труб після їх внутрішнього плакування вибухом, яке супроводжується пластичною деформацією (роздачею) каналу, виникає своєрідне змінне поле залишкових напружень (ЗН), для якого є характерним перемінність, а також значна градієнтність ЗН по радіальній координаті стінки труби. Встановлено, що при відношенні зовнішнього радіусу труби до внутрішнього більшому 2,5 у стінці труби, поблизу її плакованої поверхні, переважають ЗН стиснення, що сприяє поліпшенню службових характеристик плакованої труби при наступній експлуатації;

P вперше дано пояснення механізму особливого режиму формування з’єднання з аномальною структурою навколошовної зони (НШЗ) при зварюванні металів “ударною хвилею” (ЗУХ). Воно полягає у тому, що на межі з’єднання замість “бугрів деформації” формуються короткі “виплески” кумулятивних струменів, які почергово стикаються з протилежними поверхнями і розтікаються з утворенням хвиль із завихреннями і пустотами. Показано, що такий режим обумовлений високою швидкістю точки контакту, близькою до швидкості звуку в металі, і її зниження забезпечує формування з’єднання без значних завихорень і пустот.

Практичне значення отриманих результатів. Проведені в рамках дисертаційної роботи дослідження дозволили розробити практичні методи оптимізації умов ЗВ поблизу НМ процесу, різні способи ПЗВ і конструкції відповідних опорних пристроїв, які у комплексі розширюють можливості застосування ПЗВ при виробництві й ремонті елементів металоконструкцій. На основі виконаних розробок і ряду інженерно-технічних вирішень створені, пройшли натурні випробування і знайшли широке промислове застосування такі задіяні у виробництві і підтверджені актами впровадження (випробувань) нові технології ПЗВ:

P технологія ПЗВ для ремонту паливних баків універсальних ракетно-космічних транспортних систем (УРКТС) “Енергія-Буран” і “Ariane-5” (Замовники: з-д “Прогресс”, м. Самара, Росія і фірма “Aerospatiale”, Франція);

P технологія ПЗВ для плакування каналу артилерійських стволів типу КБА3 зносостійким покриттям з хастелоя “С (КП ХКБМ ім. О.О. Морозова, м. Харків і ВАТ “СМНВО ім. М.В. Фрунзе”, м. Суми, Україна);

P технологія ЗУХ для монтажу стиків струмонесучих алюмінієвих магістральних шинопроводів (трест “Електромонтаж-1”, м. Київ, Україна і КРАЗ, м. Красноярськ, Росія);

P комбінована технологія ПЗВ і електронно-променевого зварювання (ЕПЗ) біметалічних (нержавіюча сталь алюміній) анодотримачів для електролізерів алюмінію (ВАТ “СМНВО ім. М.В. Фрунзе”, м. Суми, Україна);

P технологія ПЗВ з одночасним штампуванням трубчатих перехідників мідь титан змінного перерізу для рефрижераторів (компанія “Chowel” за участю KIMM, Республіка Корея);

P технологія ПЗВ для протяжного плакування мішеней-катодів мідь срібло, призначених для напилення скла (підприємство “Технолуч” ІЕЗ ім. Є.О. Патона, м. Київ, Україна);

P технології ПЗВ для виготовлення біметалічних анодних і протяжних шин мідь алюміній (відповідно компанія “Chemtech”, Іран і НВП “Фєроліт”, м. Кременчук, Україна);

P технологія ПЗВ для локального плакування катодних підвісок нержавіюча сталь мідь для електролізерів катодної міді надвисокої чистоти (компанія “Панком-Юн”, м. Одеса, Україна);

P технологія ПЗВ для локального плакування зварних швів елементів конструкцій із алюмінієвих сплавів для підвищення їх міцності та корозійної стійкості (“Airbus Industrie”, Франція Англія).

Всього з використанням перерахованих вище технологій ПЗВ вироблено і відремонтовано більше 2500 виробів зварних елементів металоконструкцій, у тому числі відновлена цілісність і несуча здатність днища паливного бака УРКТС “Енергія-Буран”, успішний пуск якої відбувся 15 листопада 1988 р. Сумарний економічний ефект тільки від застосування технології ПЗВ при ремонті різних вузлів і агрегатів УРКТС “Енергія-Буран” склав близько 3,6 млн крб. (у цінах 1988 р.).

Особистий вклад здобувача полягає в обгрунтуванні загальної концепції роботи, формулюванні мети і задач дослідження, виборі загальних і створенні спеціальних методів і способів їх розв’язання, безпосередній участі в плануванні і проведенні експериментів, розробці технологічних процесів ПЗВ, а також в організації і проведенні їх випробувань і широкого застосування в промисловості. В дисертації узагальнені наукові і практичні результати, отримані автором разом зі співробітниками ІЕЗ ім. Є.О. Патона і його НІЦ “Матеріалообробка вибухом” і за участю вітчизняних і зарубіжних організацій-замовників. Здобувачу належать також основні положення наукової новизни і загальні висновки по дисертаційній роботі.

Наукові і практичні результати дисертаційної роботи, що виносяться на захист, отримані автором самостійно або у співавторстві у відповідності з основними публікаціями, в яких особисто автору належать: у роботах [1, 31] – постановка задачі і техніка контролю якості зварних з’єднань акустичними методами; [2, 11, 30] методика і результати експериментальних досліджень впливу шорсткості поверхні на умови утворення з’єднань поблизу НМ області ЗВ; [3, 27] трактування поведінки пластини з алюмінію, яку метають при великих динамічних кутах співударяння в умовах ЗВ; [5, 44] теоретичне дослідження і пояснення механізму особливого режиму формування хвилеподібного з’єднання при ЗУХ, а також спосіб досягнення його бездефектної структури; [6, 12, 40] проведення експериментальних досліджень і трактування механізмів пластичної деформації у зоні формування з’єднання при ЗВ алюмінію і його сплавів; [8, 37] результати аналізу динамічного і залишкового НДС оболонкових конструкцій при їх імпульсному навантаженні в режимах ЗВ, а також спосіб оцінки допустимої величини залишкових деформацій; [9, 14, 16, 18, 19, 21, 25, 42] технологічні схеми ПЗВ при ремонті тонкостінних оболонкових металоконструкцій; [13, 17, 22, 26] технічні вирішення з усунення деформацій і неприварів при локальному плакуванні вибухом зварних швів з алюмінію і його сплавів; [10, 20, 23, 24, 35, 39] встановлені основні закономірності і способи підвищення ефективності процесу ЗУХ; [28] методика експериментальних досліджень та ідея щодо застосування “протекторної (“противідкольної) пластини; [29] постановка задачі і трактування результатів досліджень впливу розмірів хвиль на міцність з’єднання; [32] ідея, методика розрахунку і відпрацювання оптимальних режимів ЗВ з одночасним штампуванням; [36] обгрунтування можливості дослідження незалежного впливу параметрів співударяння на процес зварювання на балістичній установці; [4, 15, 34, 38, 41, 43, 45] технічні вирішення і прикладні результати, отримані при застосуванні розроблених технологічних процесів ПЗВ у промисловому виробництві.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на VII і VIII Всесоюзних нарадах зі зварювання, різання і обробки матеріалів вибухом (Київ, Україна, 1987 і Мінськ, Р. Бєларусь, 1990), VII Міжнародному симпозіумі “Використання енергії вибуху для виробництва металічних матеріалів з новими властивостями” (Пардубіце, ЧССР, 1988), Міжнародній конференції “Спеціальні методи зварювання” (Сараєво, Югославія, 1989), X Міжнародній конференції “High Energy Rate Fabrication” (Любляна, Югославія, 1989), IV Всесоюзній конференції зі зварювання кольорових металів (Маріуполь, Україна, 1990), Міжнародній конференції “Joining/Welding 2000” (Гаага, Нідерланди, 1991), II Міжнародній конференції “Welding in Space and the Construction of Space Vehicles by Welding” (Київ, Україна, 1994), 7-й Європейській конференції “Non-Destructive Testing” (Копенгаген, Данія, 1998), Міжнародній конференції “Зварювання і споріднені технології – в XXI століття” (Київ, Україна, 1998), Міжнародному симпозіумі “Exploiting Solid State Joining” (Кембридж, Великобританія, 1999), Міжнародній конференції “Шаруваті композиційні матеріали” (Волгоград, Росія, 1998 і 2001), а також на науково-технічних семінарах ІЕЗ ім. Є.О. Патона (Київ, Україна, 1985-2003).

Створений у дисертаційній роботі пакет винаходів в області зварювання вибухом конструкцій відзначений в особі здобувача золотою медаллю Всесвітньої організації інтелектуальної власності (Женева Москва, 1985).

Публікації. По темі даної дисертації опубліковано 45 робіт, у том числі 33 роботи в академічних журналах, збірниках наукових праць і матеріалах конференцій, а також отримані 12 авторських свідоцтв про винаходи на різні способи і пристрої для зварювання металів вибухом.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, шести розділів, висновків до кожного розділу, загальних висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Дисертація має загальний обсяг 360 сторінок машинописного тексту, включаючи 140 рисунків, 22 таблиці і список літературних джерел з 232 найменувань на 24 сторінках. В додатках містяться копії актів та інших документів на 27 сторінках, що підтверджують широке промислове застосування розроблених технологічних процесів ПЗВ і їх техніко-економічну ефективність.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета роботи і визначені основні задачі, які необхідно розв’язати для її досягнення. Описані об’єкти, предмет і методи дослідження, відзначені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів із зазначенням особистого вкладу автора, а також представлені відомості по їх апробації.

У першому розділі наведені докладний огляд і аналіз відомих теоретичних уявлень і результатів експериментальних досліджень процесу ЗВ, а також основних областей і світового досвіду його практичного застосування, дано обгрунтування мети, обраних напрямків і задач дослідження. Сучасна теорія ЗВ базується на наступних основних підходах.“

Гідродинамічний підхід”, розроблений школою академіка М.О. Лаврент’єва та його учнями (А.А. Дерібас, В.М. Кудінов, І.Д. Захаренко та ін.), дозволяє скласти загальне бачення фізичної природи явища ЗВ, виявити найбільш важливі параметри процесу і дати уявлення про “вікно зварювання” в площині координат (динамічний кут співударяння – швидкість точки контакту). Наміченій меті роботи відповідає використання економічних режимів поблизу НМ “вікна зварювання.“

Енергетичний підхід” пов’язує цикл робіт науково-дослідницької і технологічної школи ВолгГТУ (В.С. Сєдих, В.І. Лисак, С.В. Кузьмін та ін.). В рамках цього підходу вивчені енергетичний баланс процесу ЗВ і прояв масштабного фактору, запропонований “енергетичний” критерій визначення й оптимізації режимів ЗВ, розроблені методологія і технічні засоби комп’ютерного проектування технологічних процесів виготовлення біметалічних і багатошарових композиційних матеріалів.“

Металофізичний підхід”, розроблений шведськими вченими (A. Oberg, N. Martensson, J-A. Schweitz), який грунтується на теорії розчинів Miedema, дозволяє визначити енергії утворення ідеальної (в кристалографічному смислі) поверхні з’єднання для будь-яких поєднань металів та сплавів і оцінити їх схильність до утворення інтерметалідів. Згідно з даним підходом теоретично мінімальна енергія, необхідна для утворення з’єднання, виявляється порядку одиниць Дж/м2, тоді як реально потрібно на 5…6 порядків більші енергетичні витрати.

Перераховані підходи забезпечують можливість використання ЗВ для отримання міцних з’єднань з одно- і різнорідних металів і сплавів перш за все по розвинутій поверхні при виробництві заготовок і напівфабрикатів. Однак при виробництві готових елементів конструкцій і виконанні локальних зварювальних робіт на металоконструкціях великого розміру використання ЗВ стримується тим, що в сучасній теорії і практиці ЗВ недостатньо розвинутий напрямок, пов’язаний з необхідністю захисту отримуваних виробів від недопустимо великих залишкових деформацій і небезпеки їх руйнування, за винятком тих випадків, коли можливе застосування жорстких стаціонарних опор. Огляд і аналіз літературних даних підтвердив, що кількість робіт по тим задачам ЗВ елементів конструкцій (“конструкційному ЗВ”), у яких вказані обмежуючі фактори є вирішальними, відносно невелика. Результати цих робіт не дозволяють зробити теоретичне узагальнення з метою вироблення загальних підходів до розв’язання того класу наукових і прикладних задач, які в дисертаційній роботі запропоновано класифікувати як задачі прецизійного зварювання вибухом.

Досвід, зокрема, ІЕЗ ім. Є.О. Патона останніх 25-ти років показує, що оболонкові тонкостінні, трубчаті протяжні і плоскі товстолистові, у тому числі багатоелементні, металоконструкції є об’єктами зварювального виробництва, по відношенню до яких ЗВ технічно і економічно є затребуваним. Результати наукових досліджень і технологічних розробок по здійсненню ПЗВ стосовно до названих трьох об’єктів відображені в наступних розділах дисертації.

У другому розділі описані характеристики металоконструкцій, матеріалів і методів дослідження, а також викладені результати аналізу умов утворення з’єднання поблизу НМ процесу ЗВ і оптимізації (зменшення) критичної швидкості співударяння в результаті механічної і/або хімічної обробки поверхні зварюваних вибухом елементів.

У якості інтегрального показника ефективності дозування імпульсного навантаження конструкцій при ПЗВ порівняно зі звичайним ЗВ в цій роботі запропоновано використовувати питому витрату ВР, що виражається відношенням маси заряду ВР до площі отриманого з’єднання

. (1)

Очевидний загальний шлях захисту конструкції від надмірних залишкових деформацій полягає у дозуванні початкової кінетичної енергії метання приварюваного елементу, що може бути забезпечено раціональним обмеженням його товщини (звичайно до 2…3 мм) і використанням режимів зварювання з гранично низькими швидкостями співударяння . Сучасна теорія ЗВ використовує два критерії граничних режимів, які ще забезпечують отримання якісного звареного з’єднання гідродинамічний і енергетичний, в основу яких, так чи інакше, покладено принцип врахування характеристик міцності, причому більш м’якого зі зварюваної пари металів. Це обумовлює ефективність застосування для забезпечення низьких елементів з пластичних металів, що приварюються. Однак обидва критерії, по-перше, спираються на відомі експериментальні дані і не дають оцінок істинних граничних режимів якісного ЗВ, а по-друге, не є універсальними і не відображають впливу відмінностей у твердості і густині при зварюванні різнорідних металів із різко відмінними фізико-механічними властивостями.

У зв’язку з необхідністю отримання за допомогою ЗВ з’єднань з різнорідних матеріалів, що часто зустрічається на практиці, в дисертаційній роботі проведені спеціальні дослідження впливу їх міцності і густини на процес ЗВ і запропоновано відповідний розвиток теорії цього процесу.

На основі прийому “раптової зупинки” процесу ЗВ (U. Richter і Б.С. Злобін) розроблений новий метод, який відрізняється тим, що замість обривання заряду ВР у місці зупинки його замінюють шаром речовини, який має підібраний певним чином акустичний опір. В цьому випадку “заморожена” у збереженому зразкові геометрична структура зони очищення поверхонь і формування їх з’єднання наближається до реальної структури цієї зони в сталому процесі ЗВ (рис. 1). Це дало можливість спостерігати деталі реального процесу, уявлення про який досі формувалось на основі теоретичного аналізу, оптичних і рентгенівських досліджень, які в специфічних умовах ЗВ не забезпечують високої інформативності процесу. Надій-ність отримуваних результатів контролюється співпадінням кутів, утворених пластинами, які спостерігались у точці зупинки процесу, з теоретичними значеннями динамічних кутів співударяння в точці контакту. Метод дозволяє вивчати особливості формування крайових неприварів, звичайно супроводжуючих процес ЗВ, а також “зворотного струменя”, який забезпечує самоочищення поверхонь, а у випадку зварювання різнорідних металів оцінювати вплив відмінностей у міцності (твердості) і густині на їх схильність до високошвидкісного пластичного деформування в досліджуваному режимі ЗВ.

Деякі результати, отримані методом “раптової зупинки” процесу ЗВ, поки що не знаходять загальноприйнятого пояснення, наприклад:

а) при ЗВ відмінних по твердості і густині металів (алюміній + сталь) деформується і виходить у струмінь метал пластини, що метається (алюміній, рис. 1), з’єднання при цьому утворюється з прямолінійною межею;

б) при ЗВ відмінних по твердості і близьких по густині металів (мідь + сталь) деформується і виходить у струмінь також метал пластини, що метається (міді), але з’єднання при цьому утворюється з хвилеподібною межею.

Для пояснення отриманих і деяких інших відомих результатів запропонований критерій виникнення в зоні формування з’єднання пластичних деформацій (реалізація яких вважається необхідною умовою здійснення процесу ЗВ), що враховує вплив динамічного зміцнення з’єднуваних металів і їх інерційного опору деформуванню. При виводі цього критерію були використані:

а) розвинутий В.Г. Петушковим спосіб оцінки впливу залежності опору металів деформуванню від швидкості деформації на їх поведінку в зоні формування з’єднання. Показано, що динамічні опори металів, що з’єднуються деформуванню (представлені, наприклад, динамічною границею текучості ) при характерних для ЗВ швидкостях деформації можуть зрівноважува-тися , чим забезпечується можливість їх спільного пластичного деформування і утворення хвилеподібного з’єднання (де індекси 1 і 2 відповідають металам, що з’єднуються).

б) відомий в теорії високошвидкісного удару метод моделювання (Ф.Ф. Вітман, В.А. Степанов, Н.А. Златін та ін.), за допомогою якого показано, що опір металу напівпростору високошвидкісному проникненню в нього недеформованого бійка можна виразити у вигляді , де густина металу напівпростору; – його динамічна твердість, яка залежить від швидкості деформації ; його інерційний опір; – швидкість бійка; k – коефіцієнт, що залежить від головної частини форми бійка.

Запропонований критерій передбачає необхідність виконання умови рівності аналогічних виразів для обох деформованих металів, що співударяються, в точках зіткнення вершини “бугра деформації” або кумулятивного струменя з протилежною поверхнею

, (2)

При цьому сума швидкостей – відносна швидкість зближення поверхонь у момент їх співударяння, яка в режимах з непрямолінійною (хвилеподібною) межею з’єднання має той же порядок величини, що і швидкість . Для виконання рівняння (2) необхідно дотримання наступних двох умов:

- деформується метал 1, якщо , тобто 0; (3)

- деформується метал 2, якщо , тобто 0. (4)

Можливості практичного використання запропонованого критерію можуть бути проілюстровані на прикладі кількох характерних випадків режимів співударяння металів, що зустрічаються у практиці ЗВ:

1) ЗВ м’яких металів (наприклад, відпаленої міді з алюмінієм), коли можна знехтувати їх твердістю. Рівняння (2) спрощується до . У цьому випадку метали зварюваної пари деформуються з різними швидкостями і , які задовольняють умовам і ;

2) ЗВ м’якого і твердого металів із різко відмінною густиною (алюмінію зі сталлю). Рівняння (2) спрощується до . У цьому випадку в основному деформується (при оптимальних режимах ЗВ) метал із порівняно низькими твердістю і густиною (алюміній);

3) ЗВ м’якого і твердого металів із приблизно одинаковою густиною (відпаленої міді зі сталлю). Рівняння (2) спрощується до . У цьому випадку можуть деформуватися обидва метали, оскільки інерційна складова у даному прикладі більш, ніж у 3 раза вища, ніж у випадку 2.

Таким чином, розглянуті випадки знаходяться у якісній відповідності зі згаданими вище експериментальними спостереженнями і дозволяють пояснити вплив відмінностей у твердості й густині різнорідних металів на асиметрію їх течії у зоні формування з’єднання при ЗВ.

До цього часу накопичені численні експериментальні дані (L. Chladek, Ю.О. Конон, Л.Б. Первухін та ін.), у тому числі отримані автором у більш ранніх дослідженнях, які підтверджують вплив шорсткості з’єднуваних поверхонь на положення НМ області ЗВ. Однак цей вплив стає істотним лише при певних умовах. У рамках даної роботи проведені дослідження цих умов і сформульовані практичні рекомендації стосовно до задач ПЗВ.

Відтворювалось ЗВ пластин із низьковуглецевої сталі завтовшки 4 + 18 мм при = 2000…3000 м/с на НМ процесу ЗВ із забезпеченням хвильової межі з’єднання. В якості ВР використовували амоніт № 6ЖВ. Контролювали амплітуду хвиль a і середню висоту нерівностей поверхні , яка змінювалась від 4 до 72 мкм. Результати експериментів показали, що критичні швидкості співударяння для необроблених і шліфованих пластин можуть відрізнятися більше, ніж у два рази (відповідно 312 і 125 м/с). При цьому ступінь впливу шорсткості визначається відношенням . Якщо величина цього відношення мала , шорсткість не порушує нормальний режим утворення звареного з’єднання. Критичною (пороговою) умовою “міцне зварювання немає зварювання” виявилась умова, коли амплітуда очікуваної хвилі стає порівнянною з середньою висотою нерівностей: . Побудована згідно з цією умовою експериментальна залежність усередненого критичного кута співударяння від представлена на рис. 2.

При аналізі отриманих результатів (рис. 2) використано припущення про те, що робота, яка витрачається на пластичну деформацію в зоні формування з’єднання, пропорційна товщині (глибині) цієї зони , причому для оцінки величини приймався вираз

, (5)

в якому член рівний (при малих кутах ) товщині ідеального кумулятивного струменя і визначає мінімальну товщину зони деформацій ідеально гладкої поверхні з’єднання. У спеціальній перевірочній серії експериментів встановлено, що співвідношення (5) виконується з погрішністю меншою 10 % при 2,5 і до 20 % при менших . Це дозволяє за експериментально знайденими точками на НМ з відомими а, побудувати ряд залежностей для різних (рис. 2). З рисунка 2 випливає, що для пластин, які метаються, товщиною 10 мм чистова обробка малоефективна. Однак її ефективність швидко зростає по мірі зменшення їхньої товщини і для пластин товщиною 2 мм необхідність підвищення чистоти обробки при вирішенні задач ПЗВ є вже доцільною. Для порівняння на рис. 2 наведена область значень (затінена ділянка), розрахована за емпіричною формулою для НМ (тут HV – твердість металу за Віккерсом), отриманою А.А. Дерібасом і І.Д. Захаренко в рамках гідродинамічного підходу, без урахування впливу шорсткості. Видно, що ця область відповідає завищеним значенням .

Слід відзначити, що запропонований підхід дозволяє також оцінювати відмінність між величинами на реальній НМ процесу ЗВ пластин з шорсткою поверхнею і на теоретичній НМ, коли поверхні пластин абсолютно гладкі . Зокрема, для малих кутів і фіксованих значень можна отримати приблизний вираз

, (6)

з якого випливає, що теоретично граничний кут співударяння для пластин, на поверхні яких нерівності (і оксидні плівки) відсутні, визначається як 0,7 реально необхідного для утворення міцного звареного з’єднання при встановленій вище умові .

У роботі досліджена також ефективність хімічної обробки поверхонь, що з’єднуються, для поліпшення здатності до зварювання і зниження критичної швидкості співударяння при ЗВ високоміцних, зокрема, алюмінієвих сплавів типу 1201. Головною зміцнюючою фазою у сплаві 1201 є, як відомо, сполука CuAl2 (вміст міді до 7 %). Методами оптичної, растрової і просвічуючої мікродифракційної електронної мікроскопії виявлені механізми, за якими протікає процес пластичної деформації у зоні формування з’єднання при ЗВ технічно чистого алюмінію АД1 зі сплавом 1201 АТ. Встановлено, що якщо в алюмінії АД1 вона здійснюється за механізмом розвинутих смуг зсуву, то у сплаві 1201 АТ поширення смуг зсуву утруднене необхідністю їх переорієнтації при зіткненнях зі зміцнюючими фазами (рис. 3), у зв’язку з чим гальмується високошвидкісне деформування. Крім того, відбувається додаткове зміцнення сплаву у зоні контакту внаслідок підвищення густини дислокацій у місцях гальмування смуг зсуву частинками фаз. Тому сплави даного типу звичайно зварюють через тонкі пластичні прошарки з технічно чистого алюмінію. Показано, що хімічна обробка поверхні (травлення) спеціально підібраними розчинами може забезпечити повне видалення у приповерхневому шарі зміц-нюючих фазових включень і пов’язаних з ними полів внутрішніх напружень, а також помітно знизити вміст домішок, утворюючих включення, на глибину до кількох десятків мікрометрів. В результаті полегшується пластичне деформування сплаву у шарі, товщина якого значно перевищує характерний розмір зміц-нюючих фазових включень ( 5 мкм), і стає можливим пряме ЗВ високоміцних сплавів, причому при значно менших значеннях критичної швидкості співударяння , ніж без попередньої хімічної обробки поверхні.

Третій розділ присвячений оптимізації процесу і розробці способів ПЗВ при локальному плакуванні тонкостінних оболонкових металоконструкцій, визначенню параметрів їх динамічного і залишкового НДС і створенню опорних пристроїв, які забезпечують задані геометричні характеристики і потрібні службові властивості з’єднань і конструкцій у цілому.

Дослідження проводили стосовно до відновлювального ремонту за допомогою ПЗВ оболонок паливних баків літальних апаратів авіаційної і космічної техніки у зв’язку з можливістю утворення на стадії їх виготовлення локальних механічних пошкоджень у полотні оболонок: тріщин, наскрізних прорізів (або пробоїн) і стоншення при фрезеруванні. У якості основного металу полотна оболонок, як правило, використовуються високоміцні алюмінієві сплави типу 1201 АТ і його зарубіжний аналог 2219. Товщина полотна оболонок знаходиться у межах 1,6…2,2 мм. Радіус циліндричної частини і днищ оболонок баків звичайно сягає 4 м. Очевидно, що такі тонкостінні оболонки вкрай чутливі до надмірних залишкових деформацій при виконанні на них ремонтних робіт з використанням ЗВ.

Запропоновані два основних варіанти ремонту. Перший, комбінований варіант забезпечує ремонт наскрізних пошкоджень, приведених до отвору = 60…120 мм, і здійснюється шляхом встановлення в отворі вкладиша (заглушки) з однойменного сплаву 1201 АТ і його ручного аргонодугового зварювання (АДЗ) з основним металом з наступним плакуванням металу шва і зони термічного впливу посилюючою накладкою. Другий варіант передбачає ремонт пошкоджень розміром до 120 80 мм у вигляді стоншення або зменшення міцності полотна оболонки і виконується безпосереднім плакуванням вибухом місця пошкодження посилюючою накладкою. У якості матеріалу посилюючої накладки для обох варіантів ремонту були рекомендовані технічний алюміній АД0М або його сплав типу 1201 АМ.

Розрахунково-експериментальним шляхом встановлено, що для відновлення конструкційної міцності оболонки у зоні виконання ремонту з товщиною полотна 1,6 і 2,2 мм мінімальна товщина посилюючої накладки зі сплаву АД0М відповідно складає 3,2 і 4,5 мм. При використанні алюмінієвого сплаву 1201 АМ вона може бути зменшена у два рази – 1,6 і 2,25 мм. Результатами проведених комплексних механічних випробувань на одно- і двоосьове розтягування при температурах 20, 196 і 253 C підтверджена конструкційна міцність ремонтних з’єднань, виконаних АДЗ і ПЗВ на натурних зразках-свідках (таблиця).

Для зниження деформацій полотна тонкостінної оболонки при її локальному плакуванні вибухом поруч зі зменшенням початкової кінетичної енергії метання посилюючої накладки (пластини) необхідно виключити або зменшити вплив надлишкового імпульсу, створюваного зовнішнім залишковим (післязварювальним) тиском продуктів детонації заряду ВР. В ідеальному випадку це може бути досягнуто, якщо розгін пластини проводити за допомогою балістичної установки. Виконані разом з ІПМ НАН України дослідження на установці ПК-90 (розганялись пластини 90 мм) підтвердили технічну здійсненність плакування оболонки даним шляхом, однак він поки що не знайшов практичного застосування. Другий шлях полягає у використанні тонколистової ВР високої густини із надзвуковою швидкістю детонації, а також у віднесенні заряду ВР з пластиною, яка метається, від оболонки на велику відстань. І те, і інше може бути досягнуте здійсненням процесу плакування за кутовою схемою ЗВ.

Таблиця

Результати випробувань зразків-свідків на одновісне розтягування

Температура випробувань,

, C | Основний метал (1201 АТ) | Ремонтне зварне з’єднання | Границя текучості , МПа | Границя міцності , МПа | , МПа (після АДЗ) | , МПа (після ПЗВ) | 20 | 320 | 410 | 262 | 423 | 196 | 370 | 500 | 473 | 253 | 430 | 580 | 530

Примітка. При випробуваннях на двоосьове розтягування руйнівний тиск склав 0,75 МПа при 20 C і 1,1 МПа при 196 C. Руйнування відбувалося по основному металу.

Проведені розрахункові оцінки і експериментальні дослідження ефективності використання ВР з типу “еластит” (D = 7600 м/с, = 1,56 г/см3) при метанні алюмінієвих пластин. Товщину пластин і співвідношення товщини шару ВР до змінювали у межах відповідно 0,5…5 мм і 0,25…2. Встановлено, що дія залишкового тиску продуктів детонації на пластину, що метається (на момент її співударяння з основною пластиною), припиняється, коли . Однак при такому режимі метання відбувається руйнування пластини, що метається, у вигляді відколу ще до її співударяння з основною пластиною (рис. 4, а). Крім того, встановлено, що наступне співударяння обох пластин викликає відповідне співударяння поверхонь відколу і їх пластичну деформацію з утворенням при зони з розшаруванням (рис. 5, а), а при “другої” межі зварювання (рис. 5, в). Визначені граничні умови (А і Б) в площині координат , за яких відбувається утворення вказаних зон (рис. 4, б). Таким чином, для запобігання розшаруванню пластини, що метається, необхідно, щоб , що знову приведе до збільшення надмірного імпульсу залишкового тиску продуктів детонації і викличе додаткову деформацію полотна оболонки.

На основі аналізу ударно-хвильових процесів, що протікають у пластині, яку метають, та результатів проведених експериментів запропоновано спосіб, який дозволяє повністю відвернути ефект розшарування цієї пластини (рис. 5, б) майже без додаткового збільшення імпульсу співударяння. Спосіб грунтується на використанні двошарової пластини, яку метають: безпосередньо тієї, що приварюється, і “протекторної” (противідкольної).