CC BY
72
УДК 621.791.13
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1222-1225
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА НА ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ СОЕДИНЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ ВЗРЫВОМ
© О.Л. Первухина, Т.А. Шишкин
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, e-mail: [email protected], [email protected]
Проведен анализ физико-механических характеристик металлов и сплавов и параметров режима сварки взрывом. Из рассмотренных параметров интегральным показателем свойств выбран модуль нормальной упругости, который связан со скоростью звука и определяет способность металла к релаксации напряжений. Проверены экспериментально и проанализированы результаты литературных данных по сварке различных пар металлов. В безразмерных координатах получены кривые, которые показывают, что в случае резкого различия модулей упругости основного и плакирующего слоев процесс становится менее стабильным. Показано, что даже незначительные изменения в соотношении модулей упругости плакирующего и основного листов приводят к значительному изменению режимов сварки. Кривые позволяют прогнозировать возможность образования соединения при сварке взрывом, выбор плакирующего слоя и расчетный режим сварки.
Ключевые слова: биметалл; модуль нормальной упругости; скорость звука; релаксация напряжений; режим сварки взрывом.
Сварка взрывом основана на ударно-волновых процессах. Образование соединения напрямую связано с распространением ударных волн. Основное условие сварки взрывом, определяющее скорость точки контакта УК < с0, связано со свойствами свариваемых материалов, в частности, со скоростью звука (с0). Однако определяемые в настоящее время границы областей сварки у-Ук [1] и у-Ук-т [2-3], (где у - угол сварки; т - усредненная масса свариваемых материалов) не учитывают такие физические свойства материалов, как скорость звука или модуль упругости, которые существенно влияют на характер и скорость распространения ударных волн по материалу, уровень остаточных напряжений и их релаксацию. В настоящей работе сделана попытка на основании анализа собственных исследований и опубликованных данных других авторов оценить влияние некоторых физико-механических характеристик металлов и сплавов на процесс образования соединения при сварке взрывом и определить зависимость между физическими и кинематическими параметрами свариваемых материалов.
Методика работы предусматривала выбор интегрального показателя физических свойств материалов, который может влиять на процесс образования соединения и получение зависимости между физическими и кинематическими параметрами свариваемых материалов.
Были рассмотрены основные материалы, которые в настоящее время используются для получения биметаллов в различных сочетаниях: Сталь 12Х18Н10Т, Углеродистые стали, 08кп, Ст10, Ст3, Медь, Ниобий, Алюминий, Алюминиевый сплав АМГ6, Латунь Л62, Бронзы (ОЦ4-3, ОЦС4-4-2,5), Молибден, Титан ВТ1-0, Свинец, Вольфрам.
В процессе сварки взрывом материалы основного и пластического слоев подвергаются интенсивной пластической деформации. При этом в сварочном зазоре возникают высокие температуры, которые оценивают-
ся в 3000 °С [4]. На метаемый лист в зоне химической реакции взрывчатого вещества воздействуют высокие давления продуктов детонации, значительно превышающие предел прочности материала и температуры порядка 1000 °С. В метаемом листе генерируются ударные волны, которые распространяются по напряженному металлу в обе стороны листа от точки контакта зоны реакции взрывчатого вещества с поверхностью листа. В основном металле в зоне соударения (точка контакта) также генерируются ударные волны, которые распространяются в обе стороны от точки контакта. На основании этих рассуждений из комплекса физических параметров были рассмотрены параметры, по которым материалы существенно отличаются друг от друга (табл. 1). В связи с тем, что в процессе образования соединения участвуют два материала, при анализе влияния физических параметров было взято за основу соотношение параметров основного (индекс 2) и метаемого листа (индекс 1). При этом в числителе всегда были параметры метаемого листа. Рассмотрены следующие физические свойства пар металлов: модуль нормальной упругости Е, скорость звука с, временное сопротивление <В, предел текучести <Т, плотность р, Твердость по Бринелю НВ, температура плавления ТПЛ, теплопроводность X, акустическое сопротивление рс.
В качестве комплексного показателя кинематических параметров процесса сварки взрывом был взят параметр г (г = твв/т ¡) и условно считали, что скорость детонации в нашем случае изменяется незначительно при изменении г. Для расчета г использованы режимы сварки по данным промышленного производства биметалла в ООО «Битруб Интернэшнл», данным НПО АНИТИМ, экспериментальным данным ИСМАН, а также по литературным данным [1-3; 5-7]. В экспериментах применяли взрывчатые вещества со скоростью детонации 2200-2800 м/с.
Таблица 1
Композиции металлов для сварки взрывом
5Т о Биметалл: ш к ¡■5 -в с? с< о bj s
1 О СР Я Й я плакирующий лист + основной лист ш к 1 с <£ о <£ i II
1 Алюминий + Медь 0,50 0,45 0,64 0,61 0,30 1,33 0,53 0,40 0,59 0,9-1
2 Медь + Алюминий 2,00 2,20 1,57 1,64 3,33 0,75 1,88 2,50 1,70 0,9-1,0
3 Алюминий + Титан 0,13 0,22 0,40 0,40 0,60 1,04 9,09 0,62 0,62 1,1-1,3
4 Титан + Алюминий 8,00 4,50 2,50 2,52 1,68 0,96 0,11 1,61 1,61 1,1-1,3
5 Алюминий + 09Г2С 0,13 0,30 0,04 0,44 0,34 1,04 4,45 0,36 0,34 2,7-2,9
6 09Г2С + Алюминий 7,69 3,33 25,00 2,27 2,94 0,96 0,22 2,78 2,94 2,7-2,9
7 АМГ6 + 12Х18Н9Т 0,41 0,51 7,00 0,42 0,34 1,02 8,13 0,34 0,33 2,4-2,6
8 12Х18Н9Т + АМГ6 2,44 1,96 0,14 2,38 2,94 0,98 0,12 2,94 3,03 2,4-2,6
9 Бронза ОЦ4-3 + 09Г2С 2,63 0,94 0,69 1,43 0,89 1,27 0,45 1,12 2,44 1,5
10 09Г2С + Бронза ОЦ4-3 0,38 1,06 1,45 0,70 1,12 0,79 2,23 0,89 0,41 1,5
11 Латунь + Сталь 08кп 0,57 1,12 0,85 0,69 1,06 0,75 1,37 0,79 0,47 0,9-1,1
12 Сталь 08кп + Латунь 1,75 0,89 1,17 1,44 0,94 1,34 0,73 1,26 2,11 0,9-1,1
13 Латунь + 09Г2С 0,35 1,00 0,06 0,60 1,07 0,73 1,83 0,79 0,47 1-1,1
14 09Г2С + Латунь 2,86 1,00 16,67 1,67 0,93 1,37 0,55 1,27 2,13 1-1,1
15 Медь + Сталь 08кп 0,41 0,75 1,09 0,83 1,14 0,79 6,25 0,91 0,60 0,9-1,1
16 Сталь 08кп + Медь 2,45 1,34 0,92 1,20 0,88 1,26 0,16 1,10 1,68 0,9-1,1
17 Медь + 09Г2С 0,25 0,67 0,06 0,72 1,14 0,78 8,36 0,90 0,59 1-1,4
18 09Г2С + Медь 4,00 1,49 16,67 1,39 0,88 1,28 0,12 1,11 1,69 1-1,4
19 Медь + Вольфрам 0,18 0,20 0,31 0,32 0,46 0,91 3,05 0,42 0,31 2,7-3,0*
20 Вольфрам + Медь 5,56 5,00 3,23 3,13 2,17 1,10 0,33 2,38 3,23 2,7-3,0**
21 Молибден + 09Г2С 0,94 1,62 2,28 1,74 1,30 1,05 2,91 1,37 1,52 1,18
22 09Г2С + Молибден 1,06 0,62 0,44 0,57 0,77 0,95 0,34 0,73 0,66 1,18
23 Ниобий + 09Г2С 0,47 1,12 0,10 1,83 1,09 0,68 1,14 0,75 0,77 1,4
24 09Г2С + Ниобий 2,13 0,89 10,00 0,55 0,92 1,47 0,88 1,33 1,30 1,4
25 Титан + 09Г2С 1,00 1,36 1,90 1,11 0,58 1,00 0,47 0,58 0,56 1,2-1,5
26 09Г2С + Титан 1,00 0,73 0,53 0,90 1,73 1,00 2,14 1,73 1,78 1-1,2
27 Титан + 12Х18Н9Т 1,00 0,82 1,90 1,11 0,58 1,02 1,47 0,59 0,53 1,2-1,5
28 12Х18Н9Т + Титан 1,00 1,22 0,53 0,90 1,72 0,98 0,68 1,69 1,89 1,2-1,5
29 Титан + Вольфрам 0,72 0,41 11,11 0,49 0,23 1,16 0,17 0,27 0,30 2,6-3,0*
30 Вольфрам + Титан 1,38 2,44 0,09 2,05 4,28 0,86 5,86 3,69 3,36 2,9-3,0*
31 Свинец + Вольфрам 0,16 0,02 0,05 0,10 0,59 0,25 0,26 0,15 0,04 нет
32 Вольфрам + Свинец 6,25 50,00 20,00 10,00 1,69 4,00 3,85 6,67 25,00 нет***
33 Свинец + 09Г2С 0,22 0,04 0,04 1,44 0,21 0,22 0,3 1,69 0,08 нет**
34 09Г2С + Свинец 4,46 26,39 25,51 0,69 4,68 4,58 3,36 0,59 12,5 нет***
35 Цирконий + 09Г2С 3,70 0,72 2,86 1,22 0,82 0,65 2,17 0,53 0,48 0,9-1,9*
36 09Г2С + Цирконий 0,27 1,38 0,35 0,82 1,22 1,55 0,46 1,90 2,09 0,9-1,75*
37 12Х18Н9Т + Медь 4,00 2,50 1,82 1,39 0,87 1,25 0,04 1,09 1,72 0,9-1,4*
38 Медь + 12Х18Н9Т 0,25 0,40 0,55 0,72 1,15 0,80 26,20 0,92 0,58 0,9-1,0
39 12Х18Н9Т + Сталь 08кп 1,64 1,85 0,57 1,15 0,99 1,00 0,24 0,99 1,02 1-1,2
40 Сталь 08кп + 12Х18Н9Т 0,61 0,54 1,75 0,87 1,01 1,00 4,20 1,01 0,98 1-1,2
41 12Х18Н9Т + 09Г2С 1,00 1,67 0,10 1,00 1,00 0,98 0,32 0,98 1,01 1-1,2
42 09Г2С + 12Х18Н9Т 1,00 0,60 10,00 1,00 1,00 1,02 3,13 1,02 0,99 1-1,2
Примечание: Индекс 1 относится к метаемому (плакирующему) листу. Индекс 2 относится к основному (плакируемому) листу. * - прогноз согласно рис. 1; ** - пара получена при нагреве вольфрама; *** - пара получена при охлаждении свинца.
На основе анализа собственных экспериментальных и опубликованных данных других авторов по сварке взрывом различных пар металлов были построены кривые в координатах параметр г - отношение значений выбранных физических свойств. Определённая закономерность выявлена в координатах г - Е1/Е2, что, по-видимому, связано и определяет способность материала к релаксации напряжений по законам Е = с2р и а = еЕ. Кроме того, модуль упругости
связан с акустическим сопротивлением рс, которое определяет прохождение ударных волн на границах раздела сред.
На рис. 1 представлены кривые г - Е1/Е2, очерчивающие область режимов сварки взрывом, при которых были получены качественные соединения пар металлов. Из этих кривых следует, что при соотношении Е1/Е2 = 0,6-2,2 сварка взрывом пары металлов происходит в диапазоне г = 0,8-1,5. Технологически такие ре-
t • mjmt
■ II 1 1 I 1 \ 1 1 1 I 1 !!_ J~ t 'Д I ? 1 t ] 1 —r« 9
1: =. а1 s lu 3 1 ' ! £ ! _I 1 _1 •
tri «¡s ? : ч ! \i 11 1 » > ш IL t \ t - ! • 1 S г / ; » / { i / - / г a 1 i ï
I Ï4 Ч Jt - ^ —г Р-\Bbr- »Vr / • ,, 5ijei * )=- H i
11 * *
11 111 11 • 1 ~ 1 1 » 1_1_
9 (I I И 1 и I М
• экспериментальные данные ^
! прогноз
Рис. 1. Кривая свариваемости, учитывающая способность материала к релаксации напряжений при сварке взрывом. Значения экспериментальных данных приведены в табл. 1
жимы хорошо отработаны и применяются повсеместно. Для материалов с резко различающимися модулями упругости, например, для пары или алюминий + сталь (Е1/Е2 = 0,34) или сталь+алюминий (Е1/Е2 = 2,94) необходимо значительное увеличение параметров соударения (в диапазоне г = 2,7-2,9). В случае резкого различия модулей упругости основного и плакирующего слоев процесс становится менее стабильным, даже незначительные изменения в соотношении Е1/Е2 приводят к значительному изменению режимов сварки. Кривые позволяют прогнозировать возможность образования соединения при сварке взрывом, выбор плакирующего слоя (Е1 > Е2) и расчетный режим сварки. В качестве примера рассмотрим пары металлов, с соотношением Е1 > Е2, обозначенные на рис. 1 пунктирной линией. Линия соответствует значению соотношения Е1/Е2 для данной пары металлов. Пересечение пунктирной линии с кривыми определяет диапазон параметра г рекомендуемого режима сварки. Видно, что при сварке стали с цирконием или нержавеющей стали с медью возможен выбор режимов в широком диапазоне сварки. В то время как при сварке вольфрама с медью или титаном диапазон сварки очень узок и требуются тщательный контроль режима нагружения. Пары с большим соотношением Е1/Е2, например Вольфрам + + Свинец (Е1/Е2 = 25), сваркой взрывом получить невозможно. В то же время с помощью технологических приемов нагрева или охлаждения плакирующего слоя возможно уменьшить значение соотношения Е1 > Е2, т. к. модуль упругости понижается с ростом температуры и повышается при её снижении [7-8]. Например, при сварке свинца со сталью применяется предварительное охлаждение свинца, а при сварке вольфрама с медью производится дополнительный нагрев вольфрама.
ВЫВОДЫ
На основе анализа экспериментальных данных показано, что режим сварки взрывом определяется соотношением модулей нормальной упругости свариваемых материалов:
- при соотношении 0,6-2,2 сварка взрывом пары металлов происходит в оптимальном диапазоне соударения, и режим сварки практически одинаковый для этих пар металлов;
- в случае резкого различия модулей упругости основного и плакирующего слоев процесс становится менее стабильным, даже незначительные изменения в соотношении Е1/Е2 приводят к значительному изменению режимов сварки;
- в качестве плакирующего слоя целесообразнее использовать материал с большим модулем упругости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Конон Ю.А., Первухин Л.Б., Чудновский А.Д. Сварка взрывом / под ред. В.М. Кудинова. М.: Машиностроение, 1987. 216 с.
2. Лысак В.И., Кузьмин С.В. Сварка взрывом. М.: Машиностроение, 2005. 544 с.
3. Петушков В.Г. Применение взрыва в сварочной технике. Киев: Наукова думка, 2005. 753 с.
4. Первухин Л.Б., Первухина О.Л., Бондаренко С.Ю. Теоретические и технологические основы промышленного производства биметаллов // Известия Волгоградского государственного технического университета. Волгоград, 2010. Т. 5. № 4. С. 75-82.
5. Carton E., Stuivinga M. Explosive cladding for ITER components // The Paton Welding Journal. 2009. № 11. Р. 49-52.
6. Технология сварки взрывом различных материалов и свойства полученных сварных соединений. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1970.
7. Межотраслевая интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии. URL: http://www.heuristic.su/effects/catalog/est/byId/description/1078/index .html (дата обращения: 09.03.2016).
8. Драпкин Б.М., Кононенко В.К, Леонов Б.Н. О температурной зависимости модуля упругости металлов // Перспективные материалы. 1998. № 2. С. 12-16.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
УДК 621.l91.13
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1222-1225
INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF PHYSICAL METALS PROPERTIES ON COMPOUND FORMATION DURING EXPLOSION WELDING
© O.L. Pervukhina, T.A. Shishkin
Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chernogolovka, Russian Federation, e-mail: [email protected], [email protected]
Physical and mechanical properties of metals and alloys and the parameters of explosive welding were analyzed to identify the material characteristics, have the greatest influence on the compound formation. Modulus of normal elasticity was chosen as an integral indicator of the properties. It is associated with the sound velocity and determines the ability of metal to stress relaxation. The results of published data on the explosion welding of different pairs of metals are experimentally verified and analyzed. In dimensionless coordinates obtained curves. They show the process becomes less stable in the case of a sharp difference of elastic modulus of the ground and cladding layers. It is shown that even small changes in the ratio of the elastic modulus of the clad and core sheets lead to significant changes in welding conditions. The curves predict the possibility of connection with explosion welding and choose the clad layer and the current mode of welding.
Key words: bimetal; the normal module of elasticity; sound velocity; stress relaxation; mode of explosion welding.
REFERENCES
1. Konon Ju.A., Pervuhin L.B., Chudnovskij A.D. Svarka vzryvom. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1987. 216 p.
2. Lysak V.I., Kuz'min S.V. Svarka vzryvom. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2005. 544 p.
3. Petushkov V.G. Primenenie vzryva v svarochnoj tehnike. Kiev, Naukova Dumka Publ., 2005. 753 p.
4. Pervuhin L.B., Pervuhina O.L., Bondarenko S.Ju. Teoreticheskie i tehnologicheskie osnovy promyshlennogo proizvodstva bimetallov.
Izvestija Volgogradskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, Volgograd, 2010, vol. 5, no. 4, pp. 75-82.
5. Carton E., Stuivinga M. Explosive cladding for ITER components. The Paton Welding Journal, 2009, no. 11, pp. 49-52.
6. Tehnologija svarki vzryvom razlichnyh materialov i svojstva poluchennyh svarnyh soedinenij. Moscow, Central Institute of Scientific and Technical Information and Technical and Economic Researches on Chemical and Oil Engineering, 1970.
7. Mezhotraslevaja Internet-sistema poiska i sinteza fizicheskih principov dejstvija preobrazovatelej jenergii. Available at: http://www.heuristic.su/effects/catalog/est/byId/description/1078/index.html (accessed 09.03.2016).
8. Drapkin B.M., Kononenko V.K., Leonov B.N. O temperaturnoj zavisimosti modulja uprugosti metallov. Perspektivnye materialy, 1998, no. 2, pp. 12-16.
Received 10 April 2016
Первухина Ольга Леонидовна, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории ударно-волновых процессов, e-mail: [email protected]
Pervukhina Olga Leonidovna, Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Candidate of Technics, Leading Research Worker of Shock Wave Processes Laboratory, e-mail: [email protected]
Шишкин Тимофей Андреевич, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, кандидат технических наук, младший научный сотрудник лаборатории ударно-волновых процессов, e-mail: [email protected]
Shishkin Timofey Andreevich, Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Candidate of Technics, Junior Research Worker Shock Wave Processes Laboratory, e-mail: [email protected]
