Расчет режимов сварки взрывом на основе оценки энергии, затрачиваемой на деформирование зоны волнообразования

При сварке взрывом все процессы, приводящие к активированию поверхностных атомов металла, происходят в небольшом, прилегающем к зоне физического контакта, объеме, толщину которого в первом приближении можно принять равной размаху образующихся на границе раздела волн. Количество энергии в этом объеме Е_ст, необходимое для сварки, можно оценить по зависимости

Е_ст = 2DdсrDТ, (1.6)

где Е_ст - изменение энергосодержания активного объема зоны стыка толщиной Dd с каждой его стороны, отнесенного к единице площади образующегося за счет этой энергии сварного соединения; ΔТ =0,8Т_пл - свариваемых металлов; с - средняя теплоемкость свариваемых металлов в интервале температур Т₀ – ΔТ.

При сопоставлении Е_ст с величиной энергии, затрачиваемой на деформирование зоны волнообразования W₂^//, можно рассчитывать технологические параметры сварки взрывом заданных сочетаний материалов. Оценить W₂^//, используя принятую модель деформируемого тела, по прямым измерениям деформации в зоне волнообразования крайне сложна, поэтому W₂^// рассчитывалась как разница между полной энергией пластической деформации W₂ и энергией, затрачиваемой на пластическую деформацию металла, расположенного ниже зоны волнообразования

(1.7)

где τ; - величина напряжения, характеризующего сопротивление металла пластической деформации; g_i - величина прошедшей деформации. Деформация металла, расположенного ниже зоны волнообразования подчиняется четкой зависимости от параметров сварки и свойств свариваемых металлов

(1.8)

где , s₀₂ - предел текучести свариваемых металлов, S_k - предельная прочность металла, δ_с – усредненная толщина, а W₂ определяется калориметрированием, поэтому использование зависимости 1.7 не вызывает затруднений.

Экспериментальный коэффициент t коррелирует с предельной прочностью материалов S_К, связанной с временным сопротивлением разрыву s_В и относительным сужением y следующей зависимостью

S_К = s_В(1 + 1,35y) (1.9)

для большинства металлических материалов, и

S_К = s_В(0,8 + 2,06y) (1.10)

для алюминия, меди и других высокопластичных материалов.

Использование модели жесткопластического тела и совместное решение (1.3) с (1.8) после интегрирования позволило получить выражение для определения энергозатрат на пластическую деформацию металла, расположенного ниже зоны волнообразования:

(1.11)

Анализ зависимости (1.11) и результатов прочностных испытаний образцов, полученных при сварке на режимах, близких к критическим, позволил установить следующее. Энергия, затрачиваемая на деформирование зоны волнообразования, прямо пропорциональна общей энергии W₂ только при фиксированном значении параметра d_с.

W₂² = КW₂/d_с. (1.12)

При прочих равных условиях с увеличением V_С, m _ср и снижением V_к, величина W₂^// увеличивается. Подстановка в зависимость (1.11) W₂^// = 0, позволяет выявить режимы сварки, обеспечивающие безволновую границу соединения

(1.13)

Расчетное определение границы свариваемости имеет существенное практическое значение, так как при V_С > V_Скр будем всегда попадать в область возможной сварки.

Результаты прочностных испытаний образцов, полученных при сварке исследуемых металлов на режимах, близких к критическим, представлены на рисунке 1.2. Представленные результаты свидетельствуют о том, что режимы сварки, обеспечивающие W₂^// > 0 приводят к появлению локализованного пластического течения, возникновению и развитию волнообразного профиля на границе соединения, что обуславливает выход на свободную границу дислокаций, генерируемых источниками внутри металла и обеспечивающих требуемый для сварки уровень ее активации.

 

Рис.1.2 Влияние энергозатрат, реализуемых в зоне волнообразования, на относительную прочность сварных соединений: – Ст3; О – ВТ1, - 12Х18Н10Т; ◊ - М1

 

Использование зависимости 1.11 не совсем удобно для расчетов, поэтому его преобразуют в вид

(1.14)

Сопоставление W₂^// (1.14) с количеством необходимой для образования соединения энергией Е_ст (1.7) (значения Е_ст, рассчитанные для исследованных металлов при Dd = а = 0,025 мм приведены в таблице 1.1), позволило перейти к построению расчетной методики определения оптимальных параметров сварки взрывом, которая включает следующие этапы:

1. Оценивается скорость контакта. Лучшие результаты достигаются, если скорость контакта находится в интервале (0,4-0,6) С_О, при этом металлы, склонные к образованию интерметаллидов, соединяют на скоростях контакта, ближе лежащих к нижнему значению названного интервала, так как при V_К < 0,3 С_О оплавление металлов прекращается. Превышение Vк больше 0,8 С_О приводит к образованию на межслойных границах сплошной прослойки расплавленного и закристаллизовавшегося металла.

2. При выбранном значении V_K, из условия W₂^// (1.14) = Е_ст (1.7), проводится расчет оптимальной скорости соударения по зависимости:

, (1.15)

либо

, (1.16)

где V_Скp - значение скорости соударения на нижней границе свариваемости, рассчитанное по зависимости (1.13).

Таблица 1.1 - Расчетные значения количества энергии, необходимой для образования соединения

Материал	Ст3	12Х18Н10Т	ВТ1-0	М1
Ест, МДж/м2	0,24	0,22	0,15	0,15

Для разнородных металлов, в первом приближении, оценить V_Сопт можно как среднее соответствующих однородных с усредненной массой, равной массе разнородных.

2. Высота заряда взрывчатого вещества оценивается по зависимости

, (1.17)

(где V_Сmax на 20 - 40 % превышает V_Сопт), и состав смеси для обеспечения необходимой V_K = D.

3. Технологический зазор h при получении биметаллических сварных соединений (при одновременной сварке многослойных пакетов – зазор на первой межслойной границе) определяется по зависимостям (1.18 - 1.20).

, (1.18)

где , (1.19)

, (1.20)

r_ВВ – плотность взрывчатого вещества.

Расчет технологического зазора на второй и последующих границах в многослойном пакете возможен с использованием нескольких расчетных методик, последовательно связывающих динамические (V_С, V_K) параметры сварки взрывом на всех межслойных границах и основанных на предположении о том, что скорость пакета пластин падает по мере нарастания массы, вовлекаемой в процесс соударения. Сопоставление известных литературных данных по разгону системы сваренных пластин на второй межслойной границе с результатами расчета по методике расчета, базирующейся на законе сохранения импульса (рисунок 1.2 б), показало, что экспериментальные точки располагаются несколько ниже расчетных значений.

Более точное совпадение с экспериментальными данными обеспечивает разработанная В.Г.Шморгуном методика (рисунок 1.2 а), отличающаяся тем, что приращение скорости DV_i/D к начальной скорости, численное значение которой определяется из закона сохранения количества движения, рассчитывается из предположения, что разгон на второй и последующих межслойных границах осуществляется по более пологой ветви кривой разгона, причем начало этого «мнимого» разгона определяется из закона сохранения энергии. Для ускорения процесса расчета технологических параметров СВ многослойного КМ с дискретно возрастающей массой создана программа расчета на ПЭВМ.

а	б
Рис. 1.2 Графическое представление методики оценки параметров соударения при сварке взрывом многослойных композиций:, - значения скорости, полученные из закона сохранения количества движения; ▲- значения скорости, полученные из закона сохранения энергии

 

Ключевыми выражениями являлись следующие:

(1.21)

(1.22)

(1.23)

(1.24)

(1.25)

где h_i - технологический зазор на (n-1) границе многослойного пакета; n –число пластин в пакете; r_i, d_i – соответственно плотность и толщина i –той пластины; V_Ci - минимальное значение скорости соударения, необходимой для получения прочного соединения на (n-1) границе.

, (1.26)

(1.27)

, (1.28)

, (1.29)

, (1.30)

где К - модуль объемного сжатия металла.

Схема сварки выбирается таким образом, чтобы выполнялось условие V_C1>V_C(n-1).