Развитие представлений о нижней границе сварки металлов взрывом

Рассмотрены вопросы, связанные с эволюционным развитием представлений о нижней границе сварки металлов взрывом, взаимосвязи ее положения с параметрами высокоскоростного соударения и массовыми характеристиками соударяющихся пластин. Исходя из анализа накопленного к настоящему времени экспериментально...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автори:	Лысак, С.В., Кузьмин, С.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2009
Назва видання:	Автоматическая сварка
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100959
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Развитие представлений о нижней границе сварки металлов взрывом / В.И. Лысак, С.В. Кузьмин // Автоматическая сварка. — 2009. — № 11 (679). — С. 7-13. — Бібліогр.: 37 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-100959
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1009592016-05-29T03:03:26Z Развитие представлений о нижней границе сварки металлов взрывом Лысак, С.В. Кузьмин, С.В. Научно-технический раздел Рассмотрены вопросы, связанные с эволюционным развитием представлений о нижней границе сварки металлов взрывом, взаимосвязи ее положения с параметрами высокоскоростного соударения и массовыми характеристиками соударяющихся пластин. Исходя из анализа накопленного к настоящему времени экспериментального и теоретического материала показано, что нижняя граница может быть изображена в пространстве координат «давление—температура—время», что не противоречит существующим представлениям о нижней границе сварки взрывом. The paper deals with subjects related to evolutionary development of concepts of the lower boundary of explosion welding of metals, interrelation of its position with parameters of high-velocity collision and mass characteristics of the colliding plates. Proceeding from analysis of the experimental and theoretical data accumulated so far, it is shown that the lower boundary can be presented in the space of "pressure-temperature-time" coordinates, which is not contradictory to the current concepts of the lower boundary of explosion welding. 2009 Article Развитие представлений о нижней границе сварки металлов взрывом / В.И. Лысак, С.В. Кузьмин // Автоматическая сварка. — 2009. — № 11 (679). — С. 7-13. — Бібліогр.: 37 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100959 621.791.76:621.7.044.2 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Лысак, С.В. Кузьмин, С.В. Развитие представлений о нижней границе сварки металлов взрывом Автоматическая сварка
description	Рассмотрены вопросы, связанные с эволюционным развитием представлений о нижней границе сварки металлов взрывом, взаимосвязи ее положения с параметрами высокоскоростного соударения и массовыми характеристиками соударяющихся пластин. Исходя из анализа накопленного к настоящему времени экспериментального и теоретического материала показано, что нижняя граница может быть изображена в пространстве координат «давление—температура—время», что не противоречит существующим представлениям о нижней границе сварки взрывом.
format	Article
author	Лысак, С.В. Кузьмин, С.В.
author_facet	Лысак, С.В. Кузьмин, С.В.
author_sort	Лысак, С.В.
title	Развитие представлений о нижней границе сварки металлов взрывом
title_short	Развитие представлений о нижней границе сварки металлов взрывом
title_full	Развитие представлений о нижней границе сварки металлов взрывом
title_fullStr	Развитие представлений о нижней границе сварки металлов взрывом
title_full_unstemmed	Развитие представлений о нижней границе сварки металлов взрывом
title_sort	развитие представлений о нижней границе сварки металлов взрывом
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100959
citation_txt	Развитие представлений о нижней границе сварки металлов взрывом / В.И. Лысак, С.В. Кузьмин // Автоматическая сварка. — 2009. — № 11 (679). — С. 7-13. — Бібліогр.: 37 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT lysaksv razvitiepredstavlenijonižnejgranicesvarkimetallovvzryvom AT kuzʹminsv razvitiepredstavlenijonižnejgranicesvarkimetallovvzryvom
first_indexed	2025-07-07T09:35:46Z
last_indexed	2025-07-07T09:35:46Z
_version_	1836980315952775168
fulltext	УДК 621.791.76:621.7.044.2 РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О НИЖНЕЙ ГРАНИЦЕ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ ВЗРЫВОМ В. И. ЛЫСАК, С. В. КУЗЬМИН, доктора техн. наук (Волгоград. гос. техн. ун-т, РФ) Рассмотрены вопросы, связанные с эволюционным развитием представлений о нижней границе сварки металлов взрывом, взаимосвязи ее положения с параметрами высокоскоростного соударения и массовыми характеристиками соударяющихся пластин. Исходя из анализа накопленного к настоящему времени экспериментального и теорети- ческого материала показано, что нижняя граница может быть изображена в пространстве координат «давление— температура—время», что не противоречит существующим представлениям о нижней границе сварки взрывом. К л ю ч е в ы е с л о в а : сварка взрывом, пластическая де- формация, сварное соединение, граница сварки При сварке взрывом образование соединения про- исходит в результате деформационного воздейс- твия на соединяемые материалы, характеризую- щегося высокой скоростью их соударения при малой длительности контактного взаимодействия. Многочисленные теоретические и эксперимен- тальные исследования этого процесса свидетель- ствуют о том, что он гармонично вписывается в ряд твердофазных способов соединения металлов, протекающих в условиях термосилового воздейс- твия по единой схеме трехстадийной топохими- ческой реакции с образованием физического кон- такта при смятии поверхностных микронеров- ностей, активации контактных поверхностей, ре- ализуемой в основном по дислокационному ка- налу, и объемного взаимодействия со слиянием дискретных очагов взаимодействия и релаксацией напряжений. Такая трактовка природы образова- ния соединения в твердой фазе предусматривает, с одной стороны, дискретность процесса образо- вания очагов взаимодействия (активных центров), с другой — коллективность взаимодействия ато- мов в поле этих активных центров. Процесс схва- тывания-«сшивания связей» на контактных повер- хностях представляется бездиффузионным [1–5], а природа образования соединения независимо от характера и интенсивности термодеформационно- го взаимодействия — единой. Различия заклю- чаются в кинетике протекания отдельных стадий процесса, которая определяется температурно- скоростными условиями деформирования метал- лов, степенью локализации и механизмами дефор- мации. Как и любой другой способ получения не- разъемного соединения давлением процесс сварки металлов взрывом характеризуется множеством взаимосвязанных и взаимозависимых распреде- ленных параметров [6, 7], совокупность которых определяет деформационные, температурные и временные условия формирования соединения в твердой фазе. Однако подходы к оценке роли этих параметров в образовании соединения на разных этапах исследования были различными. Изначаль- но, исходя из гидродинамических представлений о процессе сварки взрывом, согласно которым критериями формирования соединения являются самоочистка поверхности кумулятивным потоком и волнообразование, основными параметрами сварки были угол соударения γ и скорость точки контакта Vк. Р. Уитман [8] первым, аналогично работам по изучению кумуляции [9, 10], предпринял попытку теоретического описания в координатах γ – Vк ха- рактерных областей и их границ (рис. 1), которые затем неоднократно уточнялись в более поздних работах [11–21]. Согласно Р. Уитману сварные соединения можно получить во II области, огра- ниченной четырьмя линиями. Справа она огра- ничивается кривой, рассчитанной из критических условий струеобразования [9, 10, 22]. Правее гра- ницы 2 существуют ударные волны, связанные с точкой контакта, а кумуляция отсутствует. Свар- ные соединения в этой области обычно получить © В. И. Лысак, С. В. Кузьмин, 2009 Рис. 1. Характерные области и границы сварки взрывом: 1, 3 — нижняя и верхняя границы; 2 — сверхзвуковая граница; I — область «докритических» режимов (сварка отсутствует); II — область сварки взрывом; III — область «запредельных» режимов 11/2009 7 не удается. Положение кривой 2 определяется за- висимостью критического угла образования ку- мулятивной струи γ′ от Vк, впервые установленной в работах [9, 10], где показано, что струя при сверхзвуковых режимах соударения может сущес- твовать только при превышении γ′. Слева II область ограничена прямой Vк.кр — скоростью, при которой происходит переход от волнообразного шва к безволновому, рассчиты- ваемой по формуле из работы [8]: Vк.кр = ⎡ ⎢ ⎣ 2Re(HV1 + HV2) ρ1 + ρ2 ⎤ ⎥ ⎦ 1 ⁄ 2 , (1) где Re — число Рейнольдса; HV1, HV2 — твер- дость по Виккерсу свариваемых металлов; ρ1, ρ2 — соответственно плотность свариваемых ме- таллов. Очевидно, что по целому ряду причин это ус- ловие не выдерживает серьезной критики, пос- кольку переход к безволновому (равнопрочному) шву при малых скоростях контакта определяется не только Vк, но и углом соударения γ (или ско- ростью соударения Vc) [6, 23], и в то же время для образования прочного соединения процесс волнообразования вовсе не обязателен, в связи с чем эта граница не имеет практического значения. Сверху II область ограничена кривой 3 (см. рис. 1), положение которой определяется тепло- физическими свойствами свариваемых материа- лов и может быть рассчитано из условия засты- вания расплавов к моменту прихода в зону сое- динения волн разрежения [8] Vc max = 1 N ⎛ ⎜ ⎝ Tплc0 Vк ⎞ ⎟ ⎠ 1 ⁄ 2 ⎛ ⎜ ⎝ λcc0 ρ1δ1 ⎞ ⎟ ⎠ 1 ⁄ 4 , (2) где N ≈ 0,1 — коэффициент; с0 — скорость звука; λ — теплопроводность; c — теплоемкость; ρ1δ1 — удельная масса метаемой пластины. Положение нижней границы (см. рис. 1, кривая 1) по Р. Уитману определяется критическим дав- лением соударения, обеспечивающим пластичес- кое течение в околошовной зоне (ОШЗ), и вы- числяется через минимально необходимую для сварки скорость соударения: Vc min = √⎯⎯σв ρ или γкр = √⎯⎯σв ρVл 2 . (3) Такое описание и изображение в координатах, характеризующих главным образом «геометрию» соударения пластин при сварке взрывом, явилось на начальном этапе изучения этого процесса пи- онерским, хотя и базировалось на чисто «меха- нистических» предпосылках формирования сое- динения, создало фундамент и дало импульс для конкретизации положения границ процесса дру- гим исследователям, предложившим соответству- ющие зависимости, связывающие критическое значение угла соударения γкр с твердостью по Виккерсу HV [12, 13], пределом текучести σт [19, 20, 24], пределом прочности σв [11], сопротив- лением деформированию Sk [18]. Вместе с тем сопоставление расчетных данных по этим зависимостям положений нижней грани- цы сварки с экспериментальными показало в ряде случаев значительное расхождение, что отмеча- ется, например, в работах [12, 13]. Такое расхож- дение обычно связывают с неучитываемыми ок- сидными пленками на поверхностях, чистотой их обработки и др., роль которых, безусловно, оче- видна. Однако общим недостатком всех приве- денных выше моделей, что и обусловливает рас- хождение экспериментальных и расчетных дан- ных по предложенным зависимостям, является то обстоятельство, что в них неучтенными остались значительно более «весомые» параметры и преж- де всего массовые характеристики соударяющих- ся металлов. Авторы работы [20] в более поздней работе [25], основываясь на данных [26], попытались определить нижнюю границу с учетом усреднен- ной массы m~ = m1m2/(m1 + m2) (здесь m1 и m2 — единичные, приходящиеся на единицу площади поверхности, массы соответственно метаемой и неподвижной пластин) и выделения из общей энергии, затрачиваемой на пластическую дефор- мацию приконтактных слоев металла при сварке взрывом W2 [27] ее доли, локализуемой в зоне шириной, равной размаху (двум амплитудам) об- разующихся в соединении волн 2а: Vc. кр = √⎯⎯⎯⎯⎯⎯σ0,2 2ρ(1 – Vк 2 ⁄ c0 2) ⎛ ⎜ ⎝ 1 + √⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯1 + 4Eст σ0,2δ1δ2 ⁄ (δ1 + δ2) ⎞ ⎟ ⎠ , (4) где Vс.кр — критическое значение (по аналогии с критическим углом соударения, определяемым по- ложением нижней границы сварки) скорости соу- дарения пластин; Eст = 0,8⋅2асρTпл — энергия, не- обходимая, по мнению авторов [25], для образования соединения; Tпл — температура плав- ления свариваемых металлов; δ1, δ2 — толщины соответственно метаемой и неподвижной пластин. Такой подход, к сожалению, неоправдан по целому ряду причин. Во-первых, при сварке взры- вом абсолютного большинства разнородных ме- таллов (Fe + Al; Ti + Al; Mg + Ti; Mg + Cu; Al + Cu и др.) качественное соединение форми- руется с безволновой границей. Во-вторых, пер- вичное схватывание и образование сварного со- единения при сварке даже однородных металлов на нижней границе происходит в условиях, когда 8 11/2009 процесс волнообразования еще просто не сущес- твует [8, 13, 28]. Кроме того, не аргументирован выбор и самого критерия — зоны шириной в две амплитуды волны. Очевидно, что связывать яв- ление схватывания с эффектом волнообразования при высокоскоростном соударении нельзя, — пос- ледний лишь способствует интенсификации плас- тической деформации, придавая ей в целом скорее нежелательный для сварки периодический, сущес- твенно нестационарный характер с наличием вих- ревых зон и оплавов. Существенному продвижению вперед в этом вопросе способствовало установление принципи- ально важных фактов: значительное влияние ус- редненной массы слоев m~ на процесс формиро- вания соединения, существование ее критических m~кр и предельных m~пр значений (при заданных Vс, Vк, γ), что создало предпосылки к переосмыс- лению чисто механистической интерпретации критических условий (границ) сварки, описыва- емых только гидродинамическими явлениями в координатах γ – Vк, и фундаментальная основа для формирования энергетического подхода к изуча- емому процессу. Представления о «процессе об- разования струи металла из области точки кон- такта как о необходимом и достаточном физи- ческом процессе, определяющем возможность по- лучения соединения» [13], по существу идентич- ны представлениям пленочной гипотезы, разви- ваемой еще в 1950-х годах С. Б. Айнбиндером с сотрудниками [29, 30] и исходящей из того, что термодинамическая вероятность схватывания обусловлена уменьшением свободной энергии системы при исчезновении двух свободных по- верхностей, чем исключается необходимость оп- ределения термодинамической разрешенности процесса образования межатомных связей. С учетом массовых характеристик сваривае- мых материалов положение основных областей сварки взрывом может быть трансформировано в пространство параметров (рис. 2). Подобное пре- образование носит принципиальный характер, поскольку, во-первых, любой точке пространства в координатной системе m~ – Vс – Vк соответствует согласно работе [27] определенное значение энергии W2, затрачиваемой на пластическое де- формирование металла, а характерным поверхнос- тям, приведенным на рис. 2, — вполне конкретное энергетическое состояние системы соударяющих- ся пластин. Во-вторых, установление взаимосвязей m~ с по- ложением критических границ процесса создало реальный фундамент для объединения позиций так называемых металлофизической и гидроди- намической научных школ исследователей дан- ного сложного процесса, поскольку с добавлением к плоскости γ – Vк, описывающей «внешние» гид- родинамические явления при косых соударениях, массовой оси появилась возможность дать энер- гетическую, «внутреннюю» интерпретацию про- цесса схватывания металлов без отвергания су- ществующих представлений. Подход к описанию процесса схватывания и формирования сварного соединения с энергети- ческих позиций органически следует из теории твердофазных топохимических реакций [1–4], согласно которой для протекания последних ато- мы на границе раздела металлов необходимо пе- ревести в активированное состояние, сообщив им определенное количество энергии при сварке взрывом путем локализованной и интенсивной пластической деформации. Пространство параметров, в котором возмож- но получение сварных соединений, схематически представлено на рис. 2 замкнутой фигурой, рас- сеченной в передней части плоскостью, перпен- дикулярной оси m~ и ограниченной сверху и снизу двумя поверхностями adf (нижняя граница) и kgh (верхняя граница), между которыми расположены три характерные области, отличающиеся феноме- нологией пластического течения и соответству- ющим ей профилем остаточных деформаций ме- талла в ОШЗ. Получаемые в области традицион- ных режимов сварки (рис. 2, область 1) соеди- нения металлов с близкими механическими свойс- твами отличаются высокой прочностью и сину- соидальным профилем линии раздела. В области 2 условия пластического течения неблагоприятны для развития волнообразования вследствие равен- ства угла соударения и угла между вектором ско- рости бугра деформации и поверхностью пластин Рис. 2. Положение основных характерных областей сварки металлов взрывом: 1, 2 — соответственно «традиционный» и безволновой режимы; 3 — аномальное волнообразование; 4 — докритические режимы; 5 — развитая кумуляция; 6 — сверхзвуковые режимы 11/2009 9 [23], что вызывает получение прямолинейной гра- ницы раздела при высокой прочности соединения слоев. Сварные соединения с аномальными вол- нами, существующими в области 3, также имеют высокие прочностные свойства. Правее области сварки расположена обстоя- тельно изученная в работах [9, 10, 12] область 6, в которой существуют ударные волны, связан- ные с точкой контакта, и сварные соединения обычно получить не удается. Область больших углов соударения (область 5) соответствует ре- жимам развитой кумуляции и, как и область 6, не имеет практического значения для сварочных технологий. По мере приближения к поверхности adf снизу (при постоянных массовых характеристиках сва- риваемой системы) энергия W2 [27] увеличивается пропорционально Vc 2, что приводит к вовлечению в пластическое деформирование больших объе- мов металла, прилегающего к границе раздела контактирующих слоев, и при достижении неко- торого критического уровня энергозатрат, пос- тоянного для каждой пары свариваемых матери- алов [6, 7, 31], соединение становится равноп- рочным. Положение нижней границы сварки, как это видно из рис. 2, существенно зависит от массовых характеристик свариваемой системы (усреднен- ной массы m~) и смещается в сторону меньших значений динамического угла γ или скорости со- ударения Vc при увеличении m~ (рис. 3). Таким образом, в соответствии с существую- щими энергетическими представлениями образо- вание прочного соединения происходит при пре- вышении некоторого критического уровня энер- гозатрат, зависящих, в первую очередь, от ско- рости соударения свариваемых пластин и их мас- сы (или толщин). Однако основной параметр энер- гетической группы W2 — энергия или работа, зат- раченная на пластическую деформацию металла ОШЗ, — хоть формально и связан с условиями соударения и массовыми характеристиками (т. е. толщинами) свариваемых элементов, но описы- вает лишь в обобщенном виде конечный результат их высокоскоростного взаимодействия, не раск- рывая взаимосвязей между другими физическими параметрами процесса — давлением, временем его действия и температурой в зоне соединения. В работах [6, 32] для взаимоувязывания дав- ления и времени был предложен новый пара- метр — деформирующий импульс давления Iд, в общем случае описывающийся уравнением Iд = ∫ 0 τ 0 p(τ)dτ = ∫ 0 τ c pmaxe –τ ⁄ θdτ, (5) где pmax — пиковое давление в точке контакта свариваемых пластин; τс — время протекания пластических деформаций за точкой контакта (или время сварки); θ — постоянная времени, ха- рактеризующая темп спада давления в зоне со- единения (для алюминия и стали Ст3 θ составляет соответственно примерно 0,565 и 0,96 мкс). Интегральный параметр Iд по сути определяет энергетические условия формирования соедине- ния. Так, давление p, действующее на прикон- тактные слои соединения в течение некоторого вре- мени, совершает определенную работу по пласти- ческому деформированию металла в них. При этом чем выше уровень давления и продолжительнее его действие, тем большая часть кинетической энергии метаемого элемента W энергии затрачивается на пластическую деформацию металла ОШЗ W2, оп- ределяя, в конечном счете, энергетический баланс в системе. Таким образом, деформирующий импульс дав- ления Iд является некоторым «мостиком» к па- раметрам «микроуровня» [33], связывая воедино изменяющееся во времени давление в зоне сое- динения (пиковое значение которого определяет- ся скоростью соударения свариваемых элементов) и время его действия с кинематикой и энергетикой процесса, с одной стороны, и степенью пласти- ческой деформации, полнотой протекания акти- вационных процессов в зоне контакта и в итоге прочностью соединения слоев, — с другой. Обобщение большого количества эксперимен- тальных данных позволило определить (по ана- логии с критическими энергозатратами [31]) не- которое критическое значение деформирующего импульса давления, ниже которого равнопрочное соединение получить невозможно. В обобщенном виде выявленная закономерность, связывающая прочность сварного соединения Ст3 + Ст3 со зна- чением Iд, представлена на рис. 4. На эту же ко- ординатную плоскость нанесены эксперименталь- Рис. 3. Положение нижней границы сварки стали 12Х18Н10Т со сталью Ст3 в зависимости от усредненной массы m~ свари- ваемых пластин (штриховая кривая — граница схватывания, нанесенная условно) 10 11/2009 ные точки, пересчитанные из данных ряда других исследователей. Видно, что увеличение прочнос- ти сварного соединения начинается примерно с 0,9…1 кН⋅с/м2, равнопрочной же указанная ком- позиция становится, начиная примерно с 3,5…3,7 кН⋅с/м2, что позволяет в первом приб- лижении считать это значение критической ве- личиной деформирующего импульса давления Iд.кр для данной пары материалов. Значение деформирующего импульса в общем случае можно регулировать либо путем варьиро- вания толщин свариваемых пластин, изменяя тем самым продолжительность действия давления в зоне соединения, либо изменением пикового дав- ления в зоне соединения за счет скорости соу- дарения Vc. При решении же практических задач сварки взрывом конкретных композиций, когда толщины свариваемых элементов, как правило, строго лимитированы, единственно приемлемым остается второй путь. Тем не менее чисто гипо- тетически нижнюю границу сварки взрывом в ко- ординатах «давление p — время τ» можно пред- ставить гиперболической зависимостью, изобра- женной на рис. 5. Здесь оси давления и времени в некоторой степени эквивалентны соответству- ющим осям γ(Vc) и m~ ранее построенной области сварки (см. рис. 2). Третья координатная ось Vк (см. рис. 2) может быть сопоставлена с еще одним важным физи- ческим параметром процесса — температурой ме- талла T в зоне соединения, которая, согласно те- ории топохимических реакций, способствует об- разованию соединения в твердой фазе, увеличи- вая, с одной стороны, частоту выхода дислокаций в зону соединения (частоту образования активных центров), с другой, — уменьшая время активации, т. е. время, в течение которого происходит схва- тывание металлов в пределах активных центров до их естественной релаксации. Начальная тепловая ситуация в зоне соедине- ния при сварке взрывом неразрывно связана с рас- пределением максимальных сдвиговых пласти- ческих деформаций по сечению сваренных эле- ментов [6, 37]. При этом в некотором произволь- ном элементарном слое металла толщиной dy, от- стоящем от линии соединения на расстояние y, выделившееся тепло пропорционально элементар- ной работе деформирования δAд = Sкgmax(y)dy, (6) где Sк — сопротивление деформации, численно равное динамическому пределу текучести σт д; gmax(y) — текущее значение максимальной сдви- говой пластической деформации. Полная удельная (отнесенная к единице пло- щади сварного образца) работа деформирования (или, что то же самое, энергия, затраченная на пластическую деформацию металла ОШЗ) может быть вычислена путем интегрирования Aд = Sк ∫ 0 δ gmax(y)dy. (7) Сделав допущение, что тепло во всех слоях выделяется одновременно, несложно оценить теп- ловую ситуацию в ОШЗ сварного соединения, т. е. рассчитать начальные температурные поля. Так, для произвольного слоя y его температура в на- чальный момент времени t = 0 с учетом выра- жения (6) равна T(y) = Sкgmax(y)dy cρdy + T0 = Sкgmax(y) cρ + T0. (8) Теперь, зная закон изменения gmax(y) по тол- щине пластины, можно для произвольного сече- ния построить начальные температурные поля (рис. 6). Следует отметить, что с увеличением скорости точки контакта Vк температура приконтактных слоев свариваемых материалов существенно воз- Рис. 4. Влияние деформирующего импульса давления Iд на прочность σотр биметалла из низкоуглеродистой стали: , Δ — данные А. Н. Кривенцова [33, 34], В. Г. Шморгуна [35], В. А. Пронина [36]; — данные авторов Рис. 5. Гипотетическое представление нижней границы свар- ки в координатах «давление p — время τ» 11/2009 11 растает (в предельном случае, при приближении к околозвуковым скоростям, в зоне соединения происходит их оплавление, а в соединении наб- людается сплошная прослойка оплавленного ме- талла), что согласно основным положениям те- ории топохимических реакций «облегчает» про- цесс схватывания, а необходимые уровни время- силовых факторов образования соединения могут быть снижены. Таким образом, с учетом всех представленных выше рассуждений можно перейти к отображе- нию нижней границы сварки металлов взрывом в координатах «давление p – температура T – вре- мя τ» (рис. 7), очертания которой не противоречат существующим представлениям и положениям границ сварки, построенным ранее. Небезынтересным представляется сопоставле- ние расположений в этих же координатах облас- тей параметров, характерных для различных спо- собов сварки (рис. 8). Сварка взрывом (как и маг- нитно-импульсная) с характерными для нее весьма малыми временами образования соедине- ния и экстремально высокими давлениями зани- мает верхний угол координатной области. Другие способы располагаются значительно ниже. Это еще раз свидетельствует о том, что сварка взры- вом не является каким-то «экзотическим», отдель- но стоящим процессом соединения металлов, а логически вписывается в круг известных спосо- бов, органически их дополняя. Работа выполнена в рамках государственного контракта № 02.523.12.3012. 1. Каракозов Э. С. Соединение металлов в твердой фазе. — М.: Металлургия, 1976. — 264 с. 2. Красулин Ю. Л. Взаимодействие металла с полупровод- ником в твердой фазе. — М.: Наука, 1971. — 119 с. 3. Красулин Ю. Л. Дислокации как активные центры в то- похимических реакциях // Теорет. и эксперим. химия. — 1967. — III, вып. 1. — С. 58–65. 4. Красулин Ю. Л., Шоршоров М. Х. О механизме образо- вания соединения разнородных материалов в твердом состоянии // Физ. и хим. обработки материалов. — 1967. — № 1. — С. 89–97. 5. Шоршоров М. Х., Каракозов Э. С., Фоменко В. А. Осо- бые виды сварки. — (Итоги науки и техники. Сер. Свар- ка; Т. 5). — М.: ВИНИТИ, 1972. — С. 46–152. 6. Лысак В. И., Кузьмин С. В. Сварка взрывом. — М.: Ма- шиностроение, 2005. — 544 с. 7. Lysak V. I., Kuzmin S. V. Explosive welding of metal layered composite materials / Ed. B. E. Paton. — Kiev: E. O. Paton Electric Welding Institute NASU, 2003. — 117 p. 8. Wittman R. H. The influence of collision parameters on the strength and microstructure of an explosion welded alumini- um alloy // Use of explosive energy in manufacturing metal- Рис. 6. Распределение температур в сечении сваренного взры- вом медно-алюминиевого композита: 1 — Vк = 2600; 2 — 2000 м/с Рис. 7. Область сварки взрывом в координатах «p–T–τ» (НГ и ВГ — соответственно нижняя и верхняя границы сварки) Рис. 8. Области параметров различных способов сварки в координатах «p–T–τ» (штриховой квадрат — область, изоб- раженная на рис. 7): 1 — холодная сварка (p, МПа; τ, мс; T ~ ~ 0,2Tпл); 2 — сварка прокаткой в холодную (p, МПа; τ, мс; T ~ 0,2Tпл); 3 — диффузионная сварка (p, кПа; τ, с; T ~ 0,9Tпл); 4 — сварка взрывом, магнитно-импульсная сварка (p, ГПа; τ, мкс; T ~ 0,6Tпл); 5 — сварка прокаткой (p, МПа; τ, мс; T ~ ~ 0,7Tпл); 6 — контактная сварка (p, МПа; τ, мс; T ~ 0,8Tпл); 7 — сварка плавлением (p, Па; τ, с; T > Tпл) 12 11/2009 lic materials of new properties: Mater. 2nd Intern. symp. — Marianske Lasne, 1973. — P. 153–158. 9. Cowan G., Holtzman A. Flow configuration in colliding pla- tes// J. Appl. Phys. — 1963. — 34, № 4. — P. 928–939. 10. Walsh J. M., Shreffler R. G., Willig F. J. Limiting conditions for jet formation in high velocity conditions // Ibid. — 1953. — 24, № 3. — P. 349–359. 11. Беляев В. И., Девойно Д. Г., Касперович В. Б. О нижней границе режимов сварки взрывом // Порошк. металлур- гия. — 1978. — С. 51–56. 12. Дерибас А. А. Физика упрочнения и сварки взрывом. — Новосибирск: Наука, 1980. — 220 с. 13. Захаренко И. Д. Сварка металлов взрывом. — Минск: Навука і тэхніка, 1990. — 205 с. 14. Карпентер С. Сварка металлов взрывом. — Минск: Бе- ларусь, 1976. — 43 с. 15. Петушков В. Г., Фадеенко Ю. И. О границах области сварки металлов взрывом с учетом влияния вязкости ме- таллов // Сварка взрывом и свойства сварных соедине- ний: Межвуз. сб. науч. тр. — Волгоград: ВолгГТУ, 1998. — С. 42–51. 16. Роман О. В., Смирнов Г. В., Ушеренко С. М. Динамика высокоскоростной деформации и кумулятивные эффек- ты при сварке металлов взрывом // Там же. — 1998. — С. 51–64. 17. Седых В. С., Соннов А. П. Определение «нижней грани- цы свариваемости» металлов при сварке взрывом // Там же. — С. 63–66. 18. Смелянский В. Я., Рыскулов М. Т., Кожевников В. Е. К вопросу o расчете режимов сварки взрывом разнород- ных металлов // Там же. — С. 54–62. 19. Соннов А. П. Влияние исходной прочности соединяемых металлов на режимы их сварки взрывом // Там же. — С. 3–7. 20. Соннов А. П., Шморгун В. Г. Расчет нижней границы сварки взрывом однородных металлов / // Там же. — С. 47–54. 21. Deribas A. A. Explosive welding: Weldability range // VII Intern. symp. on application of explosion to preparation of new materials, Sept. 11–14, 2006, Moscow. — Moscow: TORUS PRESS Ltd., 2006. — P. 28–34. 22. Кузьмин Г. Е., Яковлев И. В. Исследование соударения пластин со сверхзвуковой точкой контакта // Физ. горе- ния и взрыва. — 1973. — 9, № 5. — С. 746–753. 23. Кузьмин С. В., Лысак В. И. Основные закономерности перехода к безволновым режимам формирования соеди- нения при сварке взрывом // Сварка взрывом и свойства сварных соединений: Межвуз. сб. науч. тр. — Волгог- рад: ВолгГТУ, 1991. — С. 29–38. 24. Высокоскоростная деформация металлов / В. И. Беляев, В. Н. Ковалевский, Г. В. Смирнов, В. А. Чекан. — Минск: Наука и техника, 1976. — 224 с. 25. Шморгун В. Г., Пронин В. А., Жданов В. Д. К вопросу расчетной оценки рациональных режимов сварки взры- вом / // Сварка взрывом и свойства сварных соединений: Межвуз. сб. науч. тр. — Волгоград: ВолгПИ, 1988. — С. 68–74. 26. Лысак В. И., Седых В. С., Трыков Ю. П. Энергетические параметры сварки взрывом многослойных композицион- ных соединений // Материалы междунар. симп. по ис- пользованию энергии взрыва для производства металли- ческих материалов с новыми свойствами. — Готвальдов (ЧССР), 1979. — С. 152–162. 27. Седых В. С., Соннов А. П. Расчет энергетического балан- са процесса сварки взрывом // Физ. и химия обработки материалов. — 1970. — № 2.— С. 6–13. 28. Добрушин Л. Д. К вопросу o нижней границе сварки взры- вом // Автомат. сварка. — 1979. — № 6. — С. 64–65. 29. Айнбиндер С. Б., Клокова Э. Ф. Некоторые вопросы те- ории сцепления металлов при совместной пластической деформации // Изв. АН ЛатвССР. — 1958. — № 12. — С. 141–154. 30. Айнбиндер С. Б. Холодная сварка металлов. — Рига: Изд-во АН ЛатвССР, 1957. — 162 с. 31. Лысак В. И., Седых В. С., Трыков Ю. П. Определение критических границ процесса сварки взрывом // Сва- рочн. пр-во. — 1973. — № 5. — С. 6–8. 32. Кузьмин С. В., Лысак В. И., Чувичилов В. А. Деформа- ционно-временные условия формирования соединений при сварке взрывом // Сварка и диагностика. — 2008. — № 1. — С. 6–13. 33. Кривенцов А. Н., Седых В. С. О роли пластической де- формации металла в зоне соединения при сварке взры- вом // Физ. и химия обработки материалов. — 1969. — № 1. — С. 132–141. 34. Ватник Л. Е., Кривенцов А. Н., Седых В. С. Некоторые особенности образования соединения при сварке взры- вом листового биметалла // Сварка взрывом и свойства сварных соединений: Межвуз. сб. науч. тр. — Волгог- рад: ВолгПИ. — 1974. — Вып. 1. — С. 35–45. 35. Шморгун В. Г. Разработка технологии сварки взрывом титана со сталью по затратам энергии на пластическую деформацию в зоне соединения: Дис. … канд. техн. на- ук. — Волгоград: ВолгПИ, 1987. — 163 с. 36. Пронин В. А. Обоснование и разработка технологии сварки взрывом электротехнических узлов из пластич- ных металлов зарядами пониженной мощности: Дис. … канд. техн. наук. — Волгоград: ВолгПИ, 1986. — 230 с. 37. Пеев А. П., Кузьмин С. В., Лысак В. И. Распределение температуры в околошовной зоне при сварке разнород- ных металлов взрывом // Автомат. сварка. — 2004. — № 4. — С. 9–12. The paper deals with subjects related to evolutionary development of concepts of the lower boundary of explosion welding of metals, interrelation of its position with parameters of high-speed collision and mass characteristics of the colliding plates. Proceeding from analysis of the experimental and theoretical data accumulated so far, it is shown that the lower boundary can be presented in the space of «pressure-temperature-time coordinates», which is not contradictory to the current concepts of the lower boundary of explosion welding. Поступила в редакцию 05.08.2009 11/2009 13

Развитие представлений о нижней границе сварки металлов взрывом

Репозитарії

Схожі ресурси