К вопросу о соединении кольцевой заготовки на корпусе Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 623-04

К ВОПРОСУ О СОЕДИНЕНИИ КОЛЬЦЕВОЙ ЗАГОТОВКИ НА КОРПУСЕ

М. С. Хребтова Научный руководитель - К. Е. Милевский

Новосибирский государственный технический университет Российская Федерация, 630073, г. Новосибирск, просп. К. Маркса, 20 E-mail: [email protected]

Рассмотрены процессы, протекающие во время соединения кольцевой заготовки на корпусе сваркой взрывом и выведены зависимости для оценки вида плоскости соединения и температур в материалах, прилегающих к плоскости соединения.

Ключевые слова: сварка взрывом, метаемые устройства, ведущие узлы, сварное соединение.

THE INSTALLATION OF ANNULAR WORKPIECE ON MISSLE DEVICE WITH EXPLOSION WELDING

M. S. Hrebtova Scientific Supervisor - K. E. Milevsky

Novosibirsk State Technical University 20, K. Marksa Av., Novosibirsk, 630073, Russian Federation E-mail: [email protected]

The reviewing of explosion welding and it's special processes during installation of annular workpiece on missile device. Received dependences can be used for estimation of welding and welded surface's features.

Keywords: explosion welding, missile devices, annular workpieces, welded surfaces.

Одним из важных элементов метаемого устройства, обеспечивающих дальность и правильность полета, является ведущий узел [1]. Способ установки ведущего узла сваркой взрывом обеспечивает прочное соединение пары «медь - сталь», обладающее рядом специфических характеристик. Процесс установки ведущего узла на корпус метаемого устройства сваркой взрывом заключается в следующем: на заранее подготовленном корпусе под углом а = 3-10 фиксируется медная кольцевая заготовка, которую разгоняют взрывчатым веществом (далее - ВВ). При высокоскоростном соударении кольцевой заготовки и корпуса происходит деформация их приповерхностных слоёв, ведущая к образованию соединения.

Соединение формируется в две стадии [2; 3] На первой, в момент образования контакта происходит сближение атомов соединяемых материалов, а также их незначительное химическое взаимодействие. Вторая стадия заключается в возникновении контактных поверхностей с образованием активных центров, в результате чего обеспечивается сцепление металлов. Решающую роль играет пластическая деформация приповерхностных слоёв металлов в зоне шва, которая распределена по толщине свариваемых заготовок и достигает максимума вблизи плоскости соединения [4]. Ударно-волновая нагрузка обеспечивает волнообразный профиль соединения, что увеличивает поверхность контакта. Высокая скорость сварки объясняет отсутствие диффузии материалов. Эта особенность позволяет получать соединения металлов, которые при других способах скрепления оставались бы непригодными к использованию. Для осуществления качественного соединения важным условием являются хорошо зачищенные свариваемые поверхности.

Существует большое количество теорий, объясняющих волнообразный характер сварного соединения [5], однако, несмотря на большое количество физических и математических моделей волнообразования и на различные подходы авторов к трактовке полученных экспериментальных результатов, механизм этого явления до конца не изучен. Единой общепризнанной теории волнообразования не создано.

Секция ««ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ»

Для проведения эксперимента авторами данной статьи была выбрана пара«сталь - медь» (рис. 1, а). Как видно по рисунку, соединение имеет чётко выраженный волнообразный характер. Можно предположить, что данный вид обусловлен тем, что сам процесс метания происходит сегмен-тарно (рис. 1, б). Рассмотрим движение отдельного элемента (рис. 1, б). Под действием ударной волны ВВ, он падает на основание 2 и происходит абсолютно неупругий удар с выделением большого количества энергии, которая идёт на нагревание сталкивающихся поверхностей. Так как нагрев происходит до высоких температур, приповерхностные слои материала переходят в жидкое состояние, образуя волнообразное соединение. Допустим, минимальная масса двумерного метаемого сегмента определяется по следующей формуле:

ёт = р-ё1 -И,

где р - плотность материала; ё1 - длина сегмента; И - толщина метаемой пластины.

? у.в. ^^

Рис. 1. Соединение при сварке взрывом а - фотография при увеличении в 50 раз; б - схема ступенчатого процесса;

1 - медь; 2 - сталь

Определим выражения для расчета длины сегмента ё1. По теореме Карно, выразим энергию, полученную при абсолютно неупругом соударении двух тел.

6 = АЕ + А,

считая систему замкнутой, работа А = 0, а кинетическая энергия выражается как

(ёт + М)и^бщ ёт - и 2 = М - ёт и 2

АЕ = Е2 - Е1 = -

М + ёт 2

где и - скорость метания пластины, М - масса основания, и0бщ - скорость тел после соударения. Используя полученные выше соотношения, получаем:

20М ёт 20М

ёт =-

Ми2 - 20 р-И р-И - (Ми2 - 20

Данные зависимости устанавливаютсвязь между параметрами минимального метаемого сегмента и характеристиками свариваемых материалов и выделяющейся в ходе соударения энергии 6. На основе полученных формул можно прогнозировать, как будет выглядеть сварное соединение, а также, зная распределение температур, определять, какую структуру имеют материалы, прилегающие к соединению. Используя экспериментальные данные, проверим выведенные формулы. Если считать, что скорость метания пластины и = 1 500 м/с, масса сегмента толщиной а = 1 см,

ёт = р-ё1 -И-а = 8,92 Т/ 3 - 0,144 см - 0,3 см-1 см = 0,3853 г , погонную масса соответствующего уча/ см

стка основания М = р-ё1 -И-а = 7,8у 3 - 0,144 см - 1,9 см-1 см = 2,1341 , то энергия, выделившаяся при соударении:

_ М-ёт и2 „„„ ^

6 =---« 367,207 кДж.

М + ёт 2

Полученная энергия распределяется между метаемой кольцевой заготовкой и основанием, вызывая нагрев прилегающих к поверхности областей. Рассмотрим задачу о теплопроводности заготовки и основания, чтобы определить, какие температуры можно получить в области контакта. Количество переданного тепла теплопроводностью через плоскую стенку можно рассчитать по уравнению

X

Q =т(ст1 - *ст2) * ¥ * Т 8

где X - коэффициент теплопроводности материала стенки; 8 - толщина стенки; 1ст\ - 1ст2 - разность температур поверхностей стенки; ¥ - площадь поверхности стенки; т - время. На рис. 2 показана схема для решения задачи о теплопроводности стенки. Температура на внешних границах пластин считалась равной 25 °С, коэффициенты теплопроводности меди и стали брались как X меди = 380 Вт/м ■ К, X стали = 47 Вт/м ■ К, площадь поверхности соприкосновения сегментов равна 0,144 см2.

// меЗи // стали

Рис. 2. Схема поверхности контакта

Для нашего случая: Т меди = 2 107 К, Т стали = 11 750 К. Данные значения получены для начального периода времени, без учёта оттока тепла вглубь материала.

В реальном процессе энергия распределяется между поверхностями меди и стали в зависимости от их теплопроводности и формы поверхности соприкосновения, однако приведенная выше оценка результата не противоречит действительности и подтверждает, что выведенные формулы можно использовать для прогнозирования вида сварного соединения.

Библиографические ссылки

1. Гуськов А. В., Ивания С. П., Милевский К. Е., Слесарева Е. Ю. Анализ существующих конструкций ведущего пояска снарядов // Вестник Акад. военных наук. 2012, вып. 2(39), С. 152-159.

2. Локтюшин В. А., Арисова В. Н. Некоторые физические процессы, протекающие при сварке взрывом двух металлических пластин // Изв. Волгоград. гос. техн. ун-та. 2007, вып. № 5. С. 37-39.

3. Гуськов А. В., Драньков Н. О., Милевский К. Е. Исследование влияния способа обработки на механические характеристики и микроструктуру материала марки М1 // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. 2012. № 4(57). С. 56-62ю

4. .Букатников П. А., Гуськов А. В., Милевский К. Е., Оголихин В. М. Механизм упрочения области контакта при сварке взрывом // Наука. Промышленность. Оборона : тр. XV Всерос. науч.-техн. конф. (г. Новосибирск, 23-25 апреля 2014 г.). С. 117-120.

5. Дерибас А. А. Физика упрочнения и сварки взрывом. Новосибирск : Наука, 1981.

© Хребтова М. С., 2015