Патент на изобретение №2343055

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ ПЛОСКОЙ БИМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЗАГОТОВКИ С ВНУТРЕННИМИ ПОЛОСТЯМИ

(57) Реферат:

Изобретение может быть использовано при изготовлении трубных досок и трубных решеток. В плакируемом листе предварительно выполняют полости со стороны, противоположной поверхности соединения, в виде глухих цилиндрических отверстий заданного диаметра и глубины. Заполняют их наполнителем в виде цилиндрических вставок из более прочного материала, чем материал плакируемого листа. Взрывчатое вещество располагают на плакирующем листе в виде зарядов, имеющих разную скорость детонации и разную толщину, обеспечивающих постоянство деформирующего импульса I_д в зоне соударения по всей соединяемой поверхности в процессе сварки взрывом. Соотношение значений деформирующих импульсов I_д/I_д ^кр выбирают в пределах от 1,0 до 1,76, где I_д ^кр – критическая величина деформирующего импульса, при которой затрачиваемая на деформацию приконтактных объемов металла энергия обеспечивает необходимую степень активации контактных поверхностей для формирования качественного соединения. После сварки взрывом в биметаллической заготовке глухие отверстия рассверливают до заданного диаметра. Способ обеспечивает снижение остаточного прогиба биметаллического листа и стабилизацию параметров волнового профиля сварного шва вдоль фронта детонации по всей поверхности зоны соединения. 9 ил.

Изобретение относится к технологии изготовления плоских биметаллических листов сваркой взрывом и может быть использовано в различных областях металлообрабатывающей промышленности, а также в энергетическом и химическом машиностроении, в частности при изготовлении трубных досок и трубных решеток. Трубные решетки (доски) предназначены для поддержания параллельных пучков труб в конвекционных камерах трубчатых печей (см. Фиг.1) и в теплообменном (см. Фиг.2) оборудовании.

Известно, что формирование соединения при сварке взрывом происходит в условиях высокоскоростного соударения плакирующего и плакируемого листов при малой длительности, в результате которого в близлежащих к линии контакта поверхностях протекают процессы совместной пластической деформации приконтактных объемов металла, активация контактных поверхностей, образование в приконтактной зоне волнового профиля, объемное взаимодействие на активных центрах со слиянием дискретных очагов деформации и объемной релаксацией напряжений. Размер образующегося в процессе соединения волнового профиля, т.е. объем продеформированного металла приконтактных зон, зависит от времени действия давления в зоне контакта. Учитывая, что давление не постоянно и зависит от времени, то степень пластической деформации (а также связанные с этим параметром размеры волнового профиля) будет определяться величиной деформирующего импульса I_д. При этом, чем выше уровень давления и продолжительней его действие, тем большая часть кинетической энергии затрачивается на пластическую деформацию металла околошовной зоны. Для реализации требуемой для соединения слоев величины совместной пластической деформации приконтактных объемов металла необходимо достигнуть определенного уровня давлений, действующих в течение некоторого времени и превышающих динамические пределы текучести свариваемого металла.

В условиях максимального благоприятствования для полноты прохождения процессов сварки по всей соединяемой поверхности, когда время прихода волны разгрузки (_р) со стороны тыльной поверхности плакируемого листа превышает время формирования соединения (_с), величина деформирующего импульса определяется из выражения:

где

_с – время протекания пластических деформаций за точкой контакта – время формирования соединения (максимально возможное для конкретных условий сварки взрывом время действия сжимающих напряжений в выбранном сечении зоны соединения, превышающих динамический предел текучести для данного металла (_с=1,5÷2,5 мкс);

p_max – величина пикового давления импульса.

Продолжительность действия высокого давления p_max в околошовной зоне ограничена временем прихода волны разгрузки с тыльной поверхности плакируемого листа _р=2₂/c₀₂ (где c₀₂ – скорость звука в плакируемом листе, ₂ – толщина плакируемого листа), по истечению которого происходит резкий спад давления до нуля, и все деформационные процессы прекращаются.

Интенсивность спада давления, характеризуемая постоянной времени , определяется из выражения

Существенным является тот факт, что в выбранном диапазоне режимов сварки величина для каждого материала является постоянной, не зависящей от скорости соударения величиной (для стали марки Ст3сп величина равна 0,96 мкс).

где

₁, ₂ и с₀₁, с₀₂ – соответственно плотности и скорости звука в плакирующем и плакируемом листах;

V_c – скорость соударения плакирующего и плакируемого листов (Лысак В.И., Кузьмин С.В. Сварка взрывом. – М.: Машиностроение – 1, 2005. – 544 с., ил.).

Известен способ изготовления плоских биметаллических листов путем сварки взрывом, при котором в результате разгоняющего действия продуктов детонации взрывчатого вещества на плакирующий лист и его соударение с плакируемым листом металл в зоне контакта интенсивно деформируется. При этой плоскопараллельной схеме изготовления биметалла взрывом обеспечивается физический контакт, активация поверхностей и формирование соединения плакирующего и плакируемого листов (патент РФ 2056987, кл. B23K 20/08, Опубл. в БИ №9 от 27.03.96 г. – аналог).

Известен также способ изготовления сваркой взрывом деталей с внутренними полостями, при котором в плакируемом листе выполняют продольные полости прямоугольного сечения, полости заполняют на часть их высоты материалом менее прочным, чем материал плакируемого листа, после чего плакирующий лист сваривается взрывом с плакируемым. После сварки наполнитель удаляют из полостей (а.с. №391794, МПК B23K 20/08, опубл. 07.10.1980 г. в БИ №37 – прототип). При этом основной упор в прототипе делается на механическом защемлении ребер плакируемого листа с плакирующим листом, что, по мнению авторов, приводит к усилению сварного соединения.

Мощное неравномерное силовое воздействие продуктов детонации взрывчатых веществ на свариваемые плакирующий и плакируемый листы приводит к деформации полученного биметаллического листа. При сварке (по прототипу) по параллельной схеме плоских листов это проявляется в их существенном остаточном прогибе f. Кроме того, в околошовной зоне в процессе сварки взрывом по известному способу активно формируется микроскопическая газовая неоднородность за счет сорбции газов и газообразующих примесей углерода свариваемыми поверхностями. Повышенная активность формирования микроскопической газовой неоднородности связана со спецификой расположения продольных полостей в плакируемом листе. Сорбированные газы захлопываются при соударении пластин и увлекаются дислокациями вглубь металла. Поэтому на границе раздела фиксируется повышенное содержание газов и газообразующих примесей. Повышенная газонасыщенность околошовной зоны отрицательным образом сказывается на качестве биметалла, используемого для изделий в химическом машиностроении, которые испытывают в процессе эксплуатации существенное коррозионное воздействие.

К недостатку прототипа следует отнести тот факт, что при изготовлении длинномерных биметаллических листов неравномерное действие деформирующего импульса ударной волны в концевых частях свариваемых заготовок приводит к неравномерному относительному утонению, к росту параметров образующихся волн (амплитуды 2а и длины волны ) на границе соединения плакирующего и плакируемого листов, а так же к росту расплавов – оплавленного металла в приконтактной зоне из-за чрезмерно высокого энерговыделения. А это в конечном итоге приводит к снижению качества изделий из полученного биметалла по известному способу, снижению прочности соединения слоев.

К недостатку прототипа также следует отнести снижение деформирующего импульса на периферийные участки контактных поверхностей из-за бокового разлета продуктов детонации взрывчатого вещества. А это в свою очередь приводит к краевым непроварам, что также приводит к снижению качества изделий из полученного биметалла по известному способу, снижению прочности и сплошности соединения слоев.

В химическом машиностроении при изготовлении из биметалла трубных решеток (досок) плакирующий слой должен обеспечивать защиту основного слоя от среды, в которой (без плакировки) основной металл нестоек. При нарушении плакирующего слоя в нефтехимическом оборудовании возможно интенсивное развитие коррозии металла основного слоя, приводящее к нарушению условий его безопасной эксплуатации.

Особо следует отметить, что при реализации предложенной схемы по прототипу в процессе сварки взрывом в застойной зоне внутренней полости плакируемого листа активно формируется микроскопическая газовая неоднородность за счет сорбции газов и газообразующих примесей углерода свариваемыми поверхностями в застойной зоне.

Особо опасной для биметаллов, используемых в химическом машиностроении, является водородная коррозия. Причиной водородной коррозии является диффузия водорода в сталь (и другие материалы), происходящая при относительно высоких температурах (до 500°С) и давлении (5÷10 МПа) в процессе продолжительной эксплуатации биметалла в водородосодержащих средах. Это явление усугубляется повышенной газовой неоднородностью (наличие зон с повышенным содержанием кислорода, газообразующих примесей, например углерода и др.), сформированной в процессе сварки взрывом в околошовной зоне.

Водородная коррозия углеродистых сталей, проявляющаяся при высоких температурах и давлениях, протекает по уравнению

H₂O+Fe=FeO+H₂;

Fe₃С+2Н₂=3Fe+СН₄.

Проникающий в металл водород взаимодействует с цементитом стали, образуя газообразное соединение (СН₄ – метан). Метан в стали не растворяется и вызывает внутренние напряжения, из-за которых необходимо снижать рабочие параметры (давление и температуру) эксплуатации оборудования, что отрицательно сказывается на производительности работы нефтехимической аппаратуры, изготовленной из биметалла. Биметалл при этом расслаивается, а высокопрочные стали при незначительных напряжениях подвергаются хрупкому разрушению.

Водород разрушает также плакирующий слой, выполненный из латуни (и др. медных сплавов). Водородная коррозия в этом случае протекает по уравнению

Cu₂O+Н₂=H₂O+2Cu.

Эффект водородной коррозии усиливается в случае повышенного содержания кислорода в меди и медных сплавах. Оксид меди образует отдельную фазу в металле, а проникающий в металл водород, химически взаимодействуя с ним, восстанавливает его. Пары образующейся при этом воды создают существенное давление и ослабляют связи между отдельными зернами металла, что приводит к возникновению трещин и в целом к ухудшению эксплуатационных свойств биметалла «сталь + медные сплавы».

Одной из возможных причин недостаточно высокой прочности соединения плакирующего и плакируемого листов биметалла, полученного известным способом сварки взрывом, является повышенный остаточный прогиб f биметаллического листа и неоднородность параметров волнового профиля сварного шва (амплитуды 2а и длины волны ) вдоль фронта детонации по всей поверхности зоны соединения биметаллического листа.

Следует отметить, что газовая неоднородность (особенно насыщенность приконтактной зоны кислородом и газообразующим элементом углеродом) также отрицательным образом сказывается на прочности соединения слоев и на качестве биметалла в целом. Однако это отрицательное воздействие будет сказываться не сразу, а через определенный период времени (в процессе эксплуатации оборудования в водородосодержащих средах при температуре до 500°С, и давлении до 10 МПа), необходимый и достаточный для проявления эффекта водородной коррозии. В этом случае отрицательное воздействие газовой неоднородности будет очевидным и катастрофичным по своим последствиям.

Основным техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого изобретения, является снижение остаточного прогиба/биметаллического листа и стабилизация параметров волнового профиля сварного шва (амплитуды 2а и длины волны ) вдоль фронта детонации по всей поверхности зоны соединения, полученной сваркой взрывом.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе изготовления сваркой взрывом плоской биметаллической заготовки с внутренними полостями, включающем предварительное выполнение в плакируемом листе полостей и заполнение их наполнителем, размещение на плакирующем листе взрывчатого вещества и установку его над плакируемым листом, инициирование взрывчатого вещества, полости выполняют в плакируемом листе со стороны, противоположной поверхности соединения в виде глухих цилиндрических отверстий, ось которых перпендикулярна его поверхности, диаметром D_ВТ=0,6×D_OTP, глубиной (0,8÷0,9)×Н_OCH, где D_OTP – требуемый окончательный диаметр отверстий получаемой биметаллической заготовки, Н_OCH – толщина плакируемого листа, при этом используют наполнитель из более прочного материала, чем материал плакируемого листа, в виде цилиндрических вставок высотой, равной глубине глухих отверстий, и наружным диаметром, равным диаметру глухих отверстий, взрывчатое вещество располагают на плакирующем листе в виде зарядов, имеющих разную скорость детонации и разную толщину, обеспечивающих постоянство деформирующего импульса I_д в зоне соударения по всей соединяемой поверхности в процессе сварки взрывом, при этом соотношение значений деформирующих импульсов I_д/I_д ^кр выбирают в пределах от 1,0 до 1,76, где I_д ^кр – критическая величина деформирующего импульса, при которой затрачиваемая на деформацию приконтактных объемов металла энергия обеспечивает необходимую степень активации контактных поверхностей для формирования качественного соединения, а после сварки взрывом в биметаллической заготовке глухие отверстия рассверливают до диаметра D_OTP.

Так, размещая цилиндрические вставки (высотой равной (0,8÷0,9)×Н_OCH, наружным диаметром D_BT=0,6×D_OTP) из более прочного материала, чем материал плакируемого листа, в заранее просверленные глухие отверстия (внутренние полости диаметром D_BT) в плакируемом листе, обеспечивается жесткость конструкции (плакируемый лист + плакирующий лист) в процессе сварки взрывом (см. Фиг.3). Это в свою очередь существенно снижает остаточный прогиб f биметаллического листа и стабилизирует параметры волнового профиля сварного шва (амплитуды 2а и длины волны ) вдоль фронта детонации по всей поверхности зоны соединения за счет увеличения момента сопротивления заготовки при изгибе, что в целом выравнивает распределение деформирующего импульса в зоне соударения по всей соединяемой поверхности. С учетом того, что внутренние полости выполняют в плакируемом листе со стороны противоположной поверхности соединения, то сама поверхность соединения формируется при физическом взаимодействии плоских сплошных поверхностей плакируемого и плакирующих листов. В том случае, если бы внутренние полости выполнялись со стороны поверхности соединения, то сама поверхность соединения формировалась бы при физическом взаимодействии плоской поверхности плакирующего листа и поверхности с отверстиями в плакируемом листе, что в ряде случаев усложняет процесс формирования качественного соединения. Цилиндрические вставки в данном случае выполняют своеобразную роль ребер жесткости. Затем, после сварки взрывом в биметаллической заготовке ранее выполненные глухие отверстия диаметром D_BT с размещенными вставками рассверливают до требуемых окончательных чистовых размеров для трубной доски D_OTP.

Цилиндрические вставки могут иметь вид как сплошных цилиндров, так и полых (в виде втулок) с различным профилем (цилиндрическим, многогранными и др.) внутренних отверстий для увеличения момента сопротивлении заготовки при изгибе. В предлагаемом способе сварки взрывом реализована схема использования цилиндрических вставок в виде сплошных цилиндров.

Располагая по краям плакирующего листа взрывчатое вещество с повышенной скоростью детонации (по сравнению со взрывчатым веществом, располагаемом по центру плакирующего листа) достигается повышение импульса давления на периферийных участках соединяемой поверхности, что в целом выравнивает распределение деформирующего импульса в зоне соударения по всей соединяемой поверхности и снижает отрицательный эффект краевого непровара.

Недостаток прототипа, связанный с неравномерным распределением деформирующего импульса ударной волны в концевых частях свариваемых листов, приводящий к неравномерному относительному утонению, устраняется следующим способом. На поверхности плакирующего листа в его концевых частях располагают взрывчатое вещество меньшей толщины (по сравнению с толщиной взрывчатого вещества, располагаемого по центру плакирующего листа), что в целом выравнивает распределение деформирующего импульса в зоне соударения по всей соединяемой поверхности и снижает отрицательные последствия концевого эффекта.

Таким образом, располагая перед сваркой взрывом в оптимально расположенных глухих отверстиях (полостях) плакируемого листа цилиндрические вставки из более прочного материала и оптимально располагая на поверхности плакирующего листа заряды взрывчатых веществ с разной скоростью детонации и с разной толщиной, достигается выравнивание деформирующего импульса в зоне соударения, что в свою очередь, приводит к снижению остаточного прогиба f биметаллического листа и стабилизации параметров волнового профиля сварного шва (амплитуды 2а и длины волны ) по всей поверхности зоны соединения, полученной сваркой взрывом. Тем самым повышается качество изделий из полученного биметалла – увеличивается прочность и сплошность соединения плакирующего и плакируемого листов. Выбор оптимального направления детонации (см. Фиг.4), оптимальное расположение глухих отверстий (полостей) в плакируемом листе и размещение в них цилиндрических вставок из материала более прочного, чем материал плакируемого листа, а также оптимальное расположение взрывчатых веществ с разной скоростью детонации по поверхности плакирующего листа и оптимизация толщины заряда взрывчатого вещества с целью достижения выравнивания деформирующего импульса в зоне соударения достигается расчетным путем с использованием как специально разработанных компьютерных программ оценки напряженно-деформированного состояния в зоне соударения, так и с использованием готовых программных комплексов типа ANSYS или др.

Экспериментально установлена оптимальная глубина глухих отверстий в плакируемом листе (0,8÷0,9)×Н_ОСН. Она же – оптимальная высота цилиндрических вставок. Было установлено, что использование глухих отверстий глубиной менее 0,8×Н_ОСН (использование цилиндрических вставок высотой менее 0,8×Н_ОСН) не приводит к достижению технического результата (после размещения в эти отверстия цилиндрических вставок) – не достигается повышение жесткости конструкции в целом и как следствие получается биметаллическая заготовка с повышенными значениями остаточного прогиба f и нестабилизированными параметрами волнового профиля сварного шва (амплитуды 2а и длины волны ) вдоль фронта детонации по всей поверхности зоны соединения. В этом случае остаточный прогиб f составит 0,8 мм на 1 метр длины, длина волны =0,25÷0,40 мм; амплитуда 2а=0,10÷0,15 мм, что отрицательно скажется на качестве соединения плакирующего и плакируемого листов (прочность соединения слоев снизится на 10-15%).

Изготовление глухих отверстий глубиной более 0,9×Н_ОСН (использование цилиндрических вставок высотой более 0,9×Н_ОСН) технически затруднено из-за сложности обеспечения тонкой перемычки толщиной менее (Н_ОСН – 0,9×Н_ОСН), которая (тонкая перемычка) в свою очередь деформируется при изготовлении глухих отверстий, что нарушает плоскостность плакируемого листа перед сваркой взрывом и в конечном итоге приводит к снижению качества биметаллического листа после сварки взрывом.

Экспериментально установлен также оптимальный диаметр глухих отверстий D_ВТ=0,6×D_ОТР (диаметр цилиндрических вставок D_ВТ=0,6×D_ОТР). Установлено, что использование глухих отверстий диаметром более 0,6×D_ОТР может привести к несоответствию межосевых расстояний в плакируемом листе до детонации и в биметаллической заготовке после сварки взрывом. И после сварки взрывом при рассверливании глухих отверстий до требуемых окончательных чистовых размеров для трубной доски D_ОТР будет выявлен брак по несоответствию расположения отверстий в готовой трубной доске. Использование глухих отверстий диаметром менее 0,6×D_ОТР (цилиндрических вставок диаметром менее 0,6×D_ОТР) не приводит к достижению технического результата – не достигается повышение жесткости конструкции в целом и как следствие получается биметаллическая заготовка с повышенными значениями остаточного прогиба f и нестабилизированными параметрами волнового профиля сварного шва (амплитуды 2а и длины волны ) вдоль фронта детонации по всей поверхности зоны соединения. В этом случае при прочих равных условиях остаточный прогиб f составит 0,7 мм на 1 метр длины длина волны =0,24÷0,41 мм; амплитуда 2а=0,09÷0,16 мм, что отрицательно скажется на качестве соединения плакирующего и плакируемого листов (прочность соединения слоев снизится на 9-14%).

Сущность изобретения пояснена чертежами, где на фиг.3 показана схема выполнения полостей (глухих отверстий диаметром D_ВТ) в плакируемом листе и заполнение этих отверстий цилиндрическими вставками. На фиг.4 показан чертеж трубной доски с размещенными в 17-ти глухих отверстиях 17 цилиндрическими вставками из более прочного материала, чем материал плакируемого листа. На фиг.5 показана плоскопараллельная схема изготовления биметалла путем сварки взрывом, на фиг.6 показана уточненная (адаптированная) плоскопараллельная схема изготовления биметалла путем сварки взрывом, на фиг.7 показана схема отбора образцов для механических испытаний и для замера параметров волн в полученных сваркой взрывом соединениях, а на фиг.8 показана схема замера параметров образующихся в процессе сварки взрывом волн (амплитуды 2а и длины волны ) в зоне соединения. На фиг.9 представлены топограммы распределения газообразующих примесей внедрения по толщине биметаллического листа.

Предлагаемый способ изготовления биметалла сваркой взрывом осуществляется в следующей последовательности (см. Фиг.5).

Предварительно подготавливают плакируемый лист (см. Фиг.3 и Фиг.4). В плакируемом листе со стороны, противоположной поверхности соединения, просверливают цилиндрические глухие отверстия (внутренние полости) глубиной (0,8÷0,9)×Н_ОСН и диаметром D_ВТ=0,6×D_ОТР (где D_ОТР – чистовой, окончательный диаметр отверстий в трубной доске). Глухие отверстия должны быть выполнены в строго отведенных местах согласно чертежа трубной доски (см. фиг.4). Количество глухих отверстий и их расположение оптимизируется с помощью специальной программы. Места расположения глухих отверстий (внутренних полостей) в трубной доске, размещение в этих отверстиях наполнителей в виде цилиндрических вставок и направление детонации показаны на Фиг.4. При этом цилиндрические вставки имеют высоту, равную глубине глухого отверстия (0,8÷0,9)×Н_ОСН, наружный диаметр, равный диаметру глухих отверстий D_ВТ=0,6×D_ОТР (где D_ОТР – окончательный, чистовой диаметр отверстий в трубной доске). При этом материал наполнителя (цилиндрической вставки) должен быть более прочным, чем материал плакируемого листа. На жесткое основание 1 (см. Фиг.5) устанавливают предварительно подготовленный плакируемый лист 2 и над ним с расчетным зазором h, обеспечиваемым фиксаторами 3, располагают плакирующий лист 4. По периметру метаемого плакирующего листа располагают деревянный контейнер 5, ограничивающий область размещения взрывчатого вещества. Так, вначале равномерно по поверхности плакирующего листа размещают заряд взрывчатого вещества 6 (смесь аммонита с кварцевым песком в соотношении 67/33%, скорость детонации = 2300 м/с) длиной L, шириной В, высотой Н₂. Отступив от дальнего края (см. фиг.5) – конца деревянного контейнера на величину L₃, на уже размещенный слой взрывчатого вещества 6 размещают взрывчатое вещество 7 (смесь аммонита с кварцевым песком в соотношении 67/33%, скорость детонации = 2300 м/с) длиной L-L₃, шириной В, обеспечивая общую высоту слоя H₁. Далее, отступив от дальнего края (см. фиг.5) – конца деревянного контейнера на величину L₃+L₂, на уже размещенный слой взрывчатого вещества 7 размещают симметрично относительно фронта детонации с левой и правой стороны деревянного контейнера (см. фиг.5) слой взрывчатого вещества 8 с другой скоростью детонации (смесь аммонита с кварцевым песком в соотношении 75/25%, скорость детонации = 2500 м/с), длиной L-(L₃+L₂), шириной B₁, обеспечивая общую высоту Н для снижения эффекта бокового разлета взрывчатого вещества. На переднем (ближнем) крае (на уже размещенный слой взрывчатого вещества 7) размещают слой взрывчатого вещества 9 (смесь аммонита с кварцевым песком в соотношении 75/25%, скорость детонации = 2500 м/с) длиной L₁, шириной B-2×B₁, обеспечивая общую высоту Н. В середине переднего (ближнего) торца деревянного контейнера устанавливают электродетонатор 10, обеспечивая соответствующее направление фронта детонации. При этом на жестком основании 1 следует располагать предварительно подготовленный плакируемый лист 2 (см. Фиг.5 и Фиг.6) согласно оптимизированному направлению детонации (см. Фиг.4).

Для формирования плавных переходов (устранения резких перепадов толщин взрывчатых веществ и устранения неравномерного распределения деформирующих импульсов) взрывчатого вещества от одного слоя к другому (от одной высоты к другой, т.е. от Н до H₁ и до H₂) в предлагаемом способе реализована схема специальной подготовки поверхности взрывчатого вещества (см. фиг.6). Таким образом, из прямоугольных параллелепипедов (заполненных взрывчатым веществом) получаются призмы с треугольниками у основания. Призмы располагают горизонтально на одной из своих граней. Так для снижения отрицательного воздействия концевого эффекта (неравномерного действия деформирующего импульса ударной волны в концевых частях свариваемых заготовок) и обеспечения плавного перехода с толщины взрывчатого вещества H₁ до толщины Н₂ на дальнем крае формируют скос взрывчатого вещества по линии TW, образуя таким образом призму на дальнем крае (конце) заготовки. Аналогично сформирована призма OZGYSE из взрывчатого вещества с другой скоростью детонации (для плавного перехода взрывчатого вещества с толщины Н до H₁) с прямоугольными треугольниками у основания OZG и YSE. Призма OZGYSE лежит своей гранью OYEG на слое взрывчатого вещества 7 (с другой скоростью детонации) высотой H₁. Также сформированы и другие призмы с треугольниками у основания. Кроме того, для придания более плавного перехода от одного слоя взрывчатого вещества к другому (от Н до H₁) дополнительно симметрично (справа и слева) сформированы две одинаковые пирамиды (пирамиды состоят из того же взрывчатого вещества, что и призма OZGYSE) с прямоугольным треугольником у основания и тремя гранями, две из которых представлены в виде прямоугольных треугольников (см., например, пирамиду STEY с вершиной S, размещенную слева с основанием – прямоугольным треугольником YTE, двумя гранями в виде прямоугольных треугольников SYE и YST и гранью в виде треугольника STE, которая обеспечивает плавный переход толщины взрывчатого вещества с Н до H₁). Эти пирамиды (левая и правая) заполнены взрывчатым веществом 11 (смесь аммонита с кварцевым песком в соотношении 75/25%, скорость детонации = 2500 м/с). Сформировать призмы и пирамиды из взрывчатого вещества (поверхности взрывчатого вещества) можно различными способами при помощи шаблона или других устройств.

При этом метаемый плакирующий лист 4 имеет длину и ширину на (15÷20) его толщин больше, чем у неподвижного плакируемого листа 2, т.е. реализуется схема с незначительным нависанием плакирующего листа. При помощи установленного электродетонатора 10 инициируют сформированный комбинированный заряд взрывчатого вещества. За счет оптимального выбора направления детонации (см. Фиг.4), оптимального размещения цилиндрических вставок (наполнителя), выбора материала вставок (см. Фиг.4) и оптимального размещения взрывчатого вещества (с разной скоростью детонации и с разной толщиной) по поверхности метаемого листа получают плоский биметаллический лист с низким значением остаточного прогиба f и со стабилизированными параметрами волнового профиля сварного шва (амплитуды 2а и длины волны ) по всей поверхности зоны соединения в результате обеспечения постоянства деформирующего импульса в зоне соударения. Это, в конечном итоге, обеспечивает получение более качественного биметалла с повышенной прочностью соединения слоев с отсутствием несплошностей в зоне соединения. После сварки взрывом в биметаллической заготовке ранее выполненные глухие отверстия диаметром D_ВТ со вставленными в них цилиндрическими вставками рассверливают до требуемых чистовых размеров для трубной доски D_ОТР (см. фиг.4). Кроме этого до чистового размера высверливают оставшиеся отверстия в трубной доске согласно чертежа на изделие (см. фиг.4). Следует отметить, что оптимизация размещения взрывчатого вещества на поверхности плакирующего листа может быть реализована и другими методами. Оптимизация размещения цилиндрических вставок в глухих отверстиях и направления детонации также может быть реализована другими способами.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Предварительно подготавливают плакируемый лист (см. Фиг.3 и Фиг.4). В нем просверливают со стороны противоположной поверхности соединения 17 глухих отверстий глубиной 0,85×H_ОСН=85 мм, диаметром D_ВТ=0,6×D_ОТР=30,30 мм (где D_ОТР=50,50 мм – чистовой, окончательный диаметр отверстий в трубной доске – см. Фиг.4). Количество глухих отверстий и их расположение оптимизировано с помощью специальной программы. Места расположения глухих отверстий в трубной доске, размещение в этих отверстиях цилиндрических втулок и направление детонации показаны на чертеже трубной доски – Фиг.4. При этом цилиндрические вставки имеют высоту, равную глубине глухого отверстия, т.е. 85 мм, наружный диаметр, равный диаметру глухих отверстий D_ВТ=30,30 мм. Материал цилиндрической вставки – сталь 20Х13 по ГОСТ 5632-72 (_в=536 Н/мм²; _0,2=382 Н/мм²; ₅=23%).

На жесткое основание устанавливают предварительно подготовленный плакируемый (с установленными цилиндрическими вставками) стальной лист марки Ст3сп (_в=490 Н/мм²; _0.2=266 Н/мм²; ₅=32%) по ГОСТ 380-94 размерами 100×1000×1100 мм и параллельно ему метаемый плакирующий лист из стали марки 12Х18Н10Т по ГОСТ 5632-72 размерами 10×1150×1250 мм с расчетным зазором h=3±0,1 мм. На метаемом плакирующем листе устанавливают деревянный контейнер L×B=1250×1150 мм общей высотой Н=30 мм, который заполняют взрывчатым веществом. Взрывчатое вещество должно плотно прилегать к поверхности плакирующего листа, т.к. прослойка воздуха между зарядом взрывчатого вещества и плакирующим листом может разрушить пластину. Для защиты плакирующего листа от воздействия продуктов детонации на его поверхность наносят легко разрушаемое покрытие из латекса. Сначала размещают заряд взрывчатого вещества 6 (смесь аммонита с кварцевым песком в соотношении 67/33%, скорость детонации = 2500 м/с) длиной L, шириной В, высотой Н₂=0,5×Н (наименьшая высота H₂ слоя взрывчатого вещества в дальнем конце деревянного контейнера способствует устранению концевого эффекта). Далее, отступив от дальнего края (см. фиг.5) деревянного контейнера на величину L₃=0,15×L, на уже размещенный слой взрывчатого вещества 6 размещают взрывчатое вещество 7 (смесь аммонита с кварцевым песком в соотношении 67/33%, скорость детонации = 2500 м/с) длиной L-L₃, шириной В, обеспечивая общую высоту слоя H₁=0,75×H. Далее, отступив от дальнего края (см. фиг.5) деревянного контейнера на величину L₃+L₂ (при этом L₂=0,15×L), на уже размещенный слой взрывчатого вещества 7 размещают симметрично относительно фронта детонации с левой и правой стороны деревянного контейнера (см. фиг.5) слой взрывчатого вещества 8 (смесь аммонита с кварцевым песком в соотношении 75/25%, скорость детонации = 2500 м/с) длиной L-(L₃+L₂), шириной B₁=0,10×B, обеспечивая общую высоту Н. На переднем (ближнем) крае деревянного контейнера на уже размещенный слой взрывчатого вещества 7 размещают слой взрывчатого вещества 9 (смесь аммонита с кварцевым песком в соотношении 75/25%, скорость детонации = 2500 м/с) длиной L₁=0,15×L, шириной B-2×B₁, обеспечивая общую высоту Н. Максимальная толщина взрывчатого вещества Н по периферии деревянного контейнера специально реализована для снижения эффекта бокового разлета взрывчатого вещества и устранения краевого непровара. В середине переднего (ближнего) торца деревянного контейнера устанавливают электродетонатор 10, обеспечивая соответствующее направление фронта детонации. При этом на жестком основании 1 следует располагать предварительно подготовленный (с установленными цилиндрическими вставками) плакируемый лист 2 (см. Фиг.5 и Фиг.6) строго сориентированным согласно оптимизированному направлению детонации (см. Фиг.4).

Для формирования плавных переходов (устранения резких перепадов толщин взрывчатых веществ) взрывчатого вещества от одного слоя к другому (от одной высоты к другой, т.е. от Н до H₁ и до Н₂) в предлагаемом способе реализована специальная схема подготовки взрывчатого вещества (см. фиг.6). Таким образом, из прямоугольных параллелепипедов (заполненных взрывчатым веществом) получаются призмы с треугольниками у основания. Так сформирована, например призма OZGYSE с прямоугольными треугольниками у основания OZG и YSE. Аналогичным образом сформированы и другие призмы с треугольниками у основания. Кроме того, для придания более плавного перехода от одного слоя взрывчатого вещества к другому, дополнительно симметрично (справа и слева) сформированы две одинаковые пирамиды с треугольниками у основания, две грани которой представлены в виде прямоугольных треугольников (см., например, пирамиду STEY с основанием YTE, размещенную слева и две ее грани в виде прямоугольных треугольников SYE и YST, у которых стороны YT=L₂, YE=B₁, YS=H-H₁). Эти пирамиды (см. фиг.6) выполнены из взрывчатого вещества 11 (смесь аммонита с кварцевым песком в соотношении 75/25%, скорость детонации = 2500 м/с).

В нашем случае была реализована симметричная относительно фронта детонации схема размещения взрывчатых веществ.

После размещения взрывчатого вещества (см. Фиг.6 – поз.6, 7, 8, 9 и 11) в отведенные для них места и ориентации плакируемого слоя по фронту детонации (с установленными цилиндрическими вставками – см. Фиг.4) сварку взрывом производили при режимах, которые позволили обеспечить постоянство деформирующего импульса I_Д в зоне соударения по всей поверхности плакируемого листа при минимальном остаточном прогибе биметаллического листа и максимальной стабилизации параметров волнового профиля сварного шва (амплитуды 2а и длины волны ) вдоль фронта детонации по всей поверхности зоны соединения, полученной сваркой взрывом. Оптимальное расположение глухих отверстий в плакируемом листе, выбор материала цилиндрических вставок, размещенных в заранее подготовленных глухих отверстиях, оптимальное расположение взрывчатого вещества с разной скоростью детонации по поверхности плакирующего листа и оптимизация толщины заряда взрывчатого вещества (определение величин B₁, L₁, L₂, L₃, Н, H₁ и Н₂) с целью достижения выравнивания деформирующего импульса I_Д в зоне соударения, было достигнуто расчетным путем с использованием специально разработанной компьютерной программы. После сварки взрывом в биметаллической заготовке ранее выполненные 17 глухих отверстий диаметром D_ВТ=30,30 мм со вставленными в них цилиндрическими вставками рассверливают до требуемых чистовых размеров для трубной доски D_ОТР=50,50 мм. Кроме этого до чистового размера высверливают оставшиеся в трубной доске отверстия в количестве 64 шт.(81-17=64), проводят окончательную механическую обработку биметаллического листа вплоть до получения готового изделия – трубной доски – согласно чертежа (см. Фиг.4).

Величина деформирующего импульса для данной пары плакирующего (12Х18Н10Т) и плакируемого (Ст3сп) листов составила I_Д=5,0÷5,2 кН·с/м² (величина I_Д определялась по методике, изложенной в книге: Лысак В.И., Кузьмин С.В. Сварка взрывом. – М.: Машиностроение – 1, 2005. – 544 с., ил.). Достигнутое относительно равномерное распределение деформирующего импульса в зоне соударения в свою очередь привело к снижению остаточного прогиба биметаллического листами f и к стабилизации параметров волнового профиля сварного шва. Так, экспериментально установлено, что величина остаточного прогиба составила 0,4 мм на 1 метр длины (что является высоким показателем качества), а величина амплитуды волн, образовавшихся на границе соединения плакирующего и плакируемого листов, составила 2а=0,10÷0,12 мм при длине волны =0,29÷0,32 мм вдоль всей поверхности соединения, что является стабильной характеристикой волнового профиля. Это в свою очередь положительным образом сказалось на качестве полученного биметалла, у которого не было обнаружено расслоений (класс сплошности – не ниже 1 по ГОСТ 10885-85), прочность соединения слоев на срез (сопротивление срезу) определялась по ГОСТ 10885-85 и составила _ср=251÷284 МПа.

В случае изготовления биметалла по прототипу остаточный прогиб составлял 0,8÷1,5 мм на 1 м длины, что является крайне низким показателем качества биметаллического листа.

В результате проведенных исследований были экспериментально определены значения I_Д ^кр и I_Д ^пред для предлагаемого способа сварки (I_Д ^кр=3,7 кН·с/м²; I_Д ^пред=6,5 кН·с/м²), где I_Д ^кр – критическая величина деформирующего импульса, при которой затрачиваемая на деформацию приконтактных объемов металла энергия обеспечивает необходимую степень активации контактных поверхностей для формирования надежного соединения; I_Д ^пред – предельная величина деформирующего импульса, при которой нарастание энерговыделения вызывает появление оплавленного металла в приконтактной зоне.

Следует отметить, что фактически процесс формирования надежного соединения при сварке взрывом начнет реализовываться при достижении величины деформирующего импульса критических значений I_Д ^кр, при которых затрачиваемая на деформацию приконтактных объемов металла энергия обеспечивает необходимую степень активации контактных поверхностей для формирования надежного соединения. Экспериментально установлено, что сварка взрывом при значениях деформирующего импульса ниже величины I_Д ^кр не обеспечит соединения плакирующего и плакируемого листов. Процесс формирования надежного соединения плакирующего и плакируемого листов сваркой взрывом будет реализовываться вплоть до достижения деформирующего импульса предельной величины I_Д ^пред, превышение которой вызовет резкое нарастание энерговыделения и появление оплавленного металла в приконтактной зоне, что в свою очередь приведет к резкому снижению качества биметалла (снижению прочности соединения плакирующего и плакируемого листов).

Таким образом, для формирования надежного соединения при сварке взрывом необходимым условием является нахождение отношения деформирующих импульсов I_Д/I_Д ^кр в пределах от 1,0 до 1,76. При отношении I_Д/I_Д ^кр менее 1,0 надежного соединения при сварке взрывом не произойдет, т.е. затрачиваемой на деформацию приконтактных объемов металла энергии будет недостаточно для обеспечения необходимой степени активации контактных поверхностей. При отношении I_Д/I_Д ^кр более 1,76 соединение при сварке взрывом произойдет, однако, при таких высоких значениях деформирующего импульса нарастание энерговыделения вызовет появление оплавленного металла в приконтактной зоне, что отрицательным образом скажется на качестве изделий из полученного биметалла.

Для оценки основных характеристик биметалла было проведено сравнительное исследование качества биметалла полученного по известному и предлагаемому способам.

Так, для исследований параметров волнового профиля сварного шва из полученного биметаллического листа вырезали образцы для исследований согласно схеме, представленной на фиг.7, из центральной (в точках k, l, m) и периферийной (в точках n, р, r) части биметаллического листа. Вырезанные механическим способом образцы шлифовали, полировали и травили для выявления структуры межслойной границы. Шлифовке подвергали плоскость образца, параллельную направлению детонации. Замер длины волны и ее размах (амплитуды) 2а производили с использованием инструментального микроскопа (ГОСТ 8074-82) согласно схемы, приведенной на фиг.8.

Из изготовленного биметалла сваркой взрывом по известному способу (прототипу) были вырезаны согласно схеме, приведенной на фиг.7, образцы в точках k, l, m, n, р, r, которые в дальнейшем исследовали на инструментальном микроскопе с целью замера длины волны и ее размаха (амплитуды) 2а. Кроме того, на изготовленном биметаллическом листе проводили замер величины остаточного прогиба (см. Фиг.7). В качестве плакирующего и плакируемого листов были использованы аналогичные предлагаемому способу материалы. Кроме того, определяли величину деформирующего импульса I_Д, временное сопротивление разрыву _в, предел текучести _0.2, относительное удлинение ₅ и прочность соединения слоев на срез (сопротивление срезу) _ср. Отбор образцов для механических испытаний проводили по ГОСТ 7564-97. Испытание на растяжение проводили по ГОСТ 1497-84. Остаточный прогиб f полученного сваркой взрывом биметаллического листа определяли по ГОСТ 26877-91.

Ниже приводим результаты исследований раздельно по каждой точке:

k

I_Д=4,6 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=1,24; _в=491 Н/мм²; _0.2=240 Н/мм²; ₅=28%; _ср=142 Н/мм²; ₁=0,28 мм; ₂=0,32 мм; ₃=0,33 мм; 2а₁=0,10 мм; 2а₂=0,12 мм; 2а₃=0,14 мм.

l

I_Д=4,1 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=1,11; _в=467 Н/мм²; _0.2=249 Н/мм²; ₅=32%; _ср=180 Н/мм²; ₁=0,40 мм; ₂=0,46 мм; ₃=0,43 мм; 2а₁=0,14 мм; 2а₂=0,15 мм; 2а₃=0,16 мм.

m

I_Д=7,3 кН·с/м²; I_Д/I_д ^кр=1,97; _в=487 Н/мм²; _0.2=250 Н/мм²; ₅=23%; _ср=110 Н/мм²; ₁=0,60 мм; ₂=0,62 мм; ₃=0,64 мм; 2а₁=0,18 мм; 2а₂=0,17 мм; 2а₃=0,14 мм.

n

I_Д=0,9 кН·с/м²; I_Д/I_д ^кр=0,24; образцы для механических испытаний и испытаний на прочность соединения расслоились при их изготовлении.

р

I_Д=1,0 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=0,27; расслоение биметалла из-за краевого непровара.

r

I_Д=1,1 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=0,30; расслоение биметалла из-за краевого непровара.

Остаточный прогиб f составил 1,2 мм на 1 метр длины.

Из изготовленного биметалла сваркой взрывом по предлагаемому способу также были вырезаны согласно схемы, приведенной на фиг.7, образцы в точках k, l, m, n, p, r, которые в дальнейшем исследовали на инструментальном микроскопе с целью замера длины волны и ее размаха (амплитуды) 2а. Кроме того, проводили замер величины остаточного прогиба f. Ниже приводим результаты исследований раздельно по каждой точке:

k

I_Д=5,0 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=1,35; _в=493 Н/мм²; _0.2=256 Н/мм²; ₅=29%; _ср=251 Н/мм²; ₁=0,30 мм; ₂=0,32 мм; ₃=0,31 мм; 2а₁=0,11 мм; 2а₂=0,10 мм; 2а₃=0,10 мм.

l

I_Д=5,1 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=1,38; _в=525 Н/мм²; _0.2=262 Н/мм²; ₅=29%; _ср=275 Н/мм²; ₁=0,29 мм; ₂=0,30 мм; ₃=0,31 мм; 2а₁=0,11 мм; 2а₂=0,10 мм; 2а₃=0,11 мм.

m

I_Д=5,2 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=1,41; _в=522 Н/мм²; _0.2=265 Н/мм²; ₅=35%; _ср=267 Н/мм²; ₁=0,31 мм; ₂=0,32 мм; ₃=0,32 мм; 2а₁=0,11 мм; 2а₂=0,12 мм; 2а₃=0,12 мм.

n

I_Д=5,2 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=1,41; _в=496 Н/мм²; _0.2=263 Н/мм²; ₅=32%; _ср=262 Н/мм²; ₁=0,32 мм; ₂=0,31 мм; ₃=0,32 мм; 2a₁=0,11 мм; 2а₂=0,10 мм; 2а₃=0,10 мм.

p

I_Д=5,2 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=1,41; _в=499 Н/мм²; _0.2=270 Н/мм²; ₅=31%; _ср=284 Н/мм²; ₁=0,31 мм; ₂=0,30 мм; ₃=0,30 мм; 2а₁=0,11 мм; 2а₂=0,11 мм; 2а₃=0,10 мм.

r

I_Д=5,1 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=1,38; _в=487 Н/мм²; _0.2=275 Н/мм²; ₅=31%; _ср=275 Н/мм²; ₁=0,32 мм; ₂=0,31 мм; ₃=0,32 мм; 2а₁=0,12 мм; 2а₂=0,12 мм; 2а₃=0,11 мм.

Остаточный прогиб f составил 0,4 мм на 1 метр длины.

Таким образом, экспериментально установлено, что величина остаточного прогиба f у биметаллического листа по заявленному способу находится на низком уровне – 0,4 мм на 1 метр длины, а величины длин волн и ее амплитуд 2а у биметалла, изготовленного по заявленному способу, более стабильны и находятся на уровне =0,29÷0,32 мм; 2а=0,10÷0,12 мм. У биметалла, изготовленного по известному способу (по прототипу), =0,28÷0,60 мм; 2а=0,10÷0,18 мм, что отличается существенным разбросом данных. Кроме того, у биметалла по прототипу выявлены высокие значения остаточного прогиба f=1,2 мм на 1 метр длины, что является низким показателем качества.

Анализ результатов исследования показал, что достижение поставленного технического результата – уменьшение остаточного прогиба биметаллического листа и стабилизация параметров волнового профиля сварного шва (амплитуды 2а и длины волны ) по всей поверхности зоны соединения – приводит к увеличению прочности соединения слоев (_ср=251÷284 МПа) и к увеличению сплошности соединения слоев.

В биметалле, полученном по известному способу, прочность соединения слоев существенно ниже и составила _ср=110÷180 МПа. Кроме того, в периферийной зоне наблюдалось расслоение соединения в результате краевого непровара (I_Д=0,9÷7,3 кН·с/м²; I_Д/I_Д ^кр=0,24÷1,97).

Так, при относительном постоянстве деформирующего импульса I_Д=5,0÷5,2 кН·с/м² (I_Д/I_Д ^кр=1,35÷1,41) у биметалла, полученного по предлагаемому способу, был достигнут технический результат – снижение остаточного прогиба f биметаллического листа и стабилизация параметров волнового профиля сварного шва.

У биметалла, полученного по известному способу (прототипу), завышены значения остаточного прогиба (f=1,2 мм на 1 метр длины листа) и отсутствует стабилизация параметров волнового профиля сварного шва (=0,28÷0,60 мм; 2a=0,10÷0,18 мм при значительных колебаниях величины деформирующего импульса I_Д от 0,9 до 7,3 кН·с/м²).

Было установлено, что использование в процессе сварки взрывом внутренних полостей в виде глухих цилиндрических отверстий (глубиной (0,8÷0,9)×Н_ОСН), выполненных со стороны противоположной поверхности соединения и заполненных более твердым материалом, чем материал плакируемого листа, и использование взрывчатых веществ с разной скоростью детонации и разной толщиной, соответствующей постоянству деформирующего импульса I_Д, приводит к снижению остаточного прогиба f и к стабилизации параметров волнового профиля сварного шва по всей поверхности зоны соединения, приводит также к повышению прочности соединения слоев и к повышению сплошности соединения.

Особо следует обратить внимание на выполнение условия применимости технических решений по заявленному способу: абсолютное увеличение длины (ширины) плакируемого листа после сварки взрывом не должно превышать величины =0,8×(D_ОТР-D_ВТ) на длине, соответствующей максимальному расстоянию между осями глухих цилиндрических отверстий с цилиндрическими вставками, где D_ОТР – чистовой, окончательный диаметр отверстий в трубной доске, D_ВТ – предварительный, досварочный диаметр глухих отверстий в трубной доске, наружный диаметр втулки. В нашем случае =0,8×(50,5-30,3)=16,16 мм на длине J₁J₃ (см. Фиг.4). .

Фактически расчетным путем, который был подтвержден практическими замерами, абсолютное увеличение длины плакируемого листа после сварки взрывом по предлагаемому способу составило 4,2 мм на длине 651,88 мм, что подтверждает работоспособность предложенного способа.

В случае, если абсолютное увеличение длины (ширины) плакируемого листа после сварки взрывом превысит значение =0,8×(D_ОТР-D_ВТ) на длине 651,88 мм, предлагаемый способ не будет работоспособен, т.к. в этом случае при механической обработке полученного биметаллического листа возникает опасность критического отклонения от осей отверстий в трубной доске, т.е. критического несовпадения осей глухих отверстий (с цилиндрическими вставками) в плакируемом листе после детонации с осями отверстий на готовой трубной доске (согласно чертежа – см. Фиг.4). Для предотвращения этого существует множество компенсирующих мероприятий. Например – предварительное занижение межосевых расстояний глухих отверстий (в которые перед детонацией размещают цилиндрические вставки) на величину, которая в дальнейшем после детонации с абсолютным увеличением линейных размеров плакируемого листа позволит практически выровнять оси сквозных отверстий со вставками с осями отверстий готовой трубной решетки.

Было установлено, что такие отличительные признаки как выполнение внутренних полостей в плакируемом листе со стороны противоположной поверхности соединения в виде цилиндрических глухих отверстий (диаметром D_BT=0,6×D_ОТР, глубиной (0,8÷0,9)×Н_ОСН) с размещенными в них цилиндрическими вставками из материала более прочного, чем материал плакируемого слоя; размещение на плакирующем листе взрывчатых веществ с разной скоростью детонации; размещение на плакирующем листе взрывчатых веществ с разной толщиной, соответствующие постоянству деформирующего импульса I_Д в зоне соударения по всей поверхности плакируемого листа, а также нахождение отношения деформирующих импульсов I_Д/I_Д ^кр в пределах от 1,0 до 1,76 по отдельности, попарно и в частичной комбинации не приводили к снижению остаточного прогиба f и стабилизации параметров волнового профиля сварного шва (амплитуды 2а и длины волны ) вдоль фронта детонации по всей поверхности зоны соединения, полученной сваркой взрывом. И только полная комбинация всех отличительных признаков приводит к снижению остаточного прогиба f и стабилизации параметров волнового профиля сварного шва (амплитуды 2а и длины волны ) вдоль фронта детонации по всей поверхности зоны соединения, полученной сваркой взрывом.

Полученные данные свидетельствуют о снижении значения остаточного прогиба f биметаллического листа и о стабильности волнообразования при выбранных условиях сварки взрывом по предлагаемому способу за счет достигнутого равномерного распределения деформирующего импульса по всей контактной поверхности.

Кроме того, дополнительно была исследована микроскопическая газовая неоднородность металла в околошовной зоне сваренных взрывом соединений. На фиг.9 представлены топограммы распределения газообразующих примесей внедрения по толщине биметаллического листа в начале (12), в середине (13) и в конце заготовки (14, 15), где 16 – исходные концентрации примесей. Следует отметить, что на границе раздела свариваемых листов обычно фиксируется максимальное содержание газов и газообразующих примесей. Причем концентрация газов неоднородна и по площади заготовки: у линии соединения в начальной части свариваемых листов она имеет более высокие значения, причем по мере продвижения вдоль заготовки распределение газов по сечению шва выравнивается вследствие развития обратного массового потока из области точки контакта и десорбции поверхностных примесей со свариваемой поверхности за счет высокотемпературной воздушной ударной волны. Для биметалла, изготовленного по прототипу (вследствие наличия застойной зоны внутренней полости плакируемого листа), выравнивание распределения газов по сечению шва идет не так интенсивно как у предлагаемого способа из-за затрудненного развития обратного массового потока из области точки контакта. У биметалла, изготовленного по прототипу, в застойной зоне плакируемого листа наблюдаются значения примесей внедрения на 15÷20% больше, чем у предлагаемого способа. Естественно, что повышенное содержание газообразующих примесей в приконтактной зоне у биметалла по прототипу отрицательным образом скажется на работоспособности через определенный период времени (в процессе эксплуатации оборудования в водородосодержащих средах при температуре до 500°С и давлении до 10 МПа), необходимый для проявления эффекта водородной коррозии с последующим расслоением биметалла.

Таким образом, исследования свойств биметалла, изготовленного по заявленному способу показали, что по механическим свойствам при комнатной температуре (_в, _0.2, ₅) он находится на уровне известных аналогов, а по показателям прочности соединения слоев (_ср) и сплошности соединения слоев превосходит их за счет снижения величины остаточного прогиба f биметаллического листа и стабилизации параметров волнового профиля сварного шва по всей поверхности зоны соединения при выполнении внутренних полостей в плакируемом листе в виде цилиндрических глухих отверстий (глубиной (0,8÷0,9)×Н_ОСН, диаметром D_ВТ=0,6×D_ОТР) и размещении в них цилиндрических вставок (высотой (0,8÷0,9)×Н_ОСН, диаметром D_ВТ=0,6×D_ОТР) из более прочного материала, чем материал плакируемого листа, и оптимальном использовании (размещении на поверхности плакирующего листа) взрывчатого вещества с различной толщиной и скоростью детонации при нахождении отношения деформирующих импульсов I_Д/I_Д ^кр в пределах от 1,0 до 1,76.

Формула изобретения

Способ изготовления сваркой взрывом плоской биметаллической заготовки с внутренними полостями, включающий предварительное выполнение в плакируемом листе полостей и заполнение их наполнителем, размещение на плакирующем листе взрывчатого вещества и установку его над плакируемым листом, инициирование взрывчатого вещества, отличающийся тем, что полости выполняют в плакируемом листе со стороны, противоположной поверхности соединения в виде глухих цилиндрическгх отверстий, ось которых перпендикулярна его поверхности, диаметром D_BT=0,6·D_OTP, глубиной (0,8÷0,9)·Н_OCH, где D_OTP – требуемый окончательный диаметр отверстий получаемой биметаллической заготовки, Н_OCH – толщина плакируемого листа, при этом используют наполнитель из более прочного материала, чем материал плакируемого листа, в виде цилиндрических вставок высотой, равной глубине глухих отверстий, и наружным диаметром, равным диаметру глухих отверстий, взрывчатое вещество располагают на плакирующем листе в виде зарядов, имеющих разную скорость детонации и разную толщину, обеспечивающих постоянство деформирующего импульса I_д в зоне соударения по всей соединяемой поверхности в процессе сварки взрывом, при этом соотношение значений деформирующих импульсов I_д/I_д ^кр выбирают в пределах от 1,0 до 1,76, где I_д ^кр – критическая величина деформирующего импульса, при которой затрачиваемая на деформацию приконтактных объемов металла энергия обеспечивает необходимую степень активации контактных поверхностей для формирования качественного соединения, а после сварки взрывом в биметаллической заготовке глухие отверстия рассверливают до диаметра D_OTP.

РИСУНКИ