автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Получение тонколистового биметалла медь-алюминий сваркой взрывом и исследование его структуры и свойств

На правах рукописи

КРЮКОВ Дмитрий Борисович

ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКОЛИСТОВОГО БИМЕТАЛЛА МЕДЬ-АЛЮМИНИЙ СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕГО СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ

Специальность 05.02.01 - Материаловедение (Машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2003

Работа выполнена в Пензенском государственном университете на кафедре сварочного производства и материаловедения.

Научный руководитель — заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Атрощенко Э. С. >

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Черный А. А., кандидат технических наук Смирнов Г. А.

Ведущее предприятие — ФГУП НИИЭМП, г. Пенза.

Защита диссертации состоится «_» _ 2003 года,

в_часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.03

при Пензенском государственном университете по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

E-mail: metal@diamond.stup.ac.ru

Факс: (841-2) 56-64-64.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета.

Автореферат разослан «_» мая 2003 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Г

Соколов В. О.

[О [ яу ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Использование материалов, сочетающих высокую прочность, жаростойкость, коррозионную и эрозионную стойкость, открывает широкие возможности для усовершенствования технологических процессов и повышения качества продукции в химическом машиностроении, металлургии, атомной энергетике, а также в дру! их областях техники. Этим условиям в значительной степени отвечают биметаллические и многослойные материалы.

В настоящее время используются следующие основные промышленные способы получения биметалла: литое плакирование, пакетная сварка прокаткой, автовакуумная сварка давлением, электродуговая наплавка.

Все перечисленные способы не обеспечивают требуемого качества соединения из разнородных металлов, особенно образующих между собой хрупкие интерметаллидные соединения. Для получения таких биметаллов все шире применяется сварка металлов взрывом.

Этот способ, в создание которого внесли большой вклад такие ученые, как A.A. Дерибас, А.Г. Кобелев, В.М. Кудинов, Ю.А. Конон, П.О. Пашков, В.И. Лысак, C.B. Кузьмин, Ю.П. Трыков, B.C. Седых, A.B. Крупин, И.Д. Захаренко, Э.С. Атрощенко и др., а также научный персонал ряда научных центров: Института гидродинамики СО АН СССР (г. Новосибирск), Волгоградского государственного технического университета, Института электросварки им. E.G. Патона (г. Киев), Алтайского научно-исследовательского института технологии и машиностроения, Пензенского государственного университета и др., позволяет изготавливать биметаллические заготовки и изделия практически неограниченных размеров из разнообразных металлов и сплавов с необходимыми прочностными и пластическими свойствами.

Сварку взрывом наиболее целесообразно применять для соединения таких металлов и сплавов, которые известными способами получить затруднительно или невозможно. Сварка взрывом эффективна также при изготовлении крупногабаритных заготовок площадью в несколько квадратных метров.

i . , ..-.ьональная

j Е»:Ы5ИОТЕКА

$ ОЭ 100

Проблемам сварки взрывом посвящено большое количество работ, анализируя которые можно выделить основные направления исследований: 1) исследования динамики разгона и конфигурации пластин в процессе их соударения; 2) металлофизические исследования течения материалов в контактной зоне и образования интерметаллических соединений, а также остаточных напряжений; 3) исследования физических явлений - струеобразования, волнообразования, тепловых явлений; 4) исследования служебных характеристик сваренных взрывом материалов; 5) связь параметров процесса с качеством соединения; 6) исследования причин появления дефектов и меры борьбы с ними; 7) исследования особенностей работы и расчета оборудования для сварки взрывом и др.

Однако, несмотря на глубину и разносторонность исследований, остаются неизученными многие вопросы рационализации и усовершенствования схем, параметров сварки взрывом для конкретных изделий различного функционального назначения. Сложность физических и структурных явлений, происходящих в зоне сварного шва и околошовной зоне, требует дополнительных исследований для конкретных условий сварки и последующей эксплуатации композиционных изделий.

После сварки взрывом полученные композиционные материалы подвергаются различным видам последующих технологических операций (прокатка, термическая обработка, штамповка и др.). В результате этих операций физико-механические и эксплуатационные характеристики данных материалов могут претерпевать значительные изменения.

В связи с этим определение комплексного подхода при исследовании технологического процесса производства композиционных изделий, работающих в конкретных условиях, способных приводить к глубоким изменениям в структуре и свойствах материалов, представляется необходимым и является весьма актуальной задачей.

Цель работы.

Создание научно обоснованной технологии изготовления тонколистового биметалла медь-алюминий, включающей в себя рациональный выбор технологических параметров сварки взрывом и по-

следующей термической обработки дня получения изделий с повышенными физико-механическими характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать способ изготовления тонколистовых биметаллических материалов, позволяющий гибко управлять основными параметрами процесса сварки взрывом с целью обеспечения высокой прочности и технологичности изделий;

- исследовать влияние технологических параметров ударно-волнового нагружения (скорости соударения и скорости точки контакта) на прочность, микроструктуру и образование прослоек фаз в зоне соединения металлов меди и алюминия для предложенной схемы сварки;

- определить режим термической обработки, обеспечивающий восстановление физико-механических свойств биметалла медь-алюминий без образования промежуточных интерметаллидных соединений;

- разработать математическую модель (пакет прикладных программ), позволяющую определять основные параметры сварки взрывом для предложенной схемы;

- исследовать физико-механические характеристики изделий, изготовленных из полученного биметалла;

- разработать и внедрить технологию получения тонколистового биметалла медь-алюминий сваркой взрывом для изделий различного функционального назначения.

Методы исследований.

В качестве объектов исследования были выбраны биметаллические медно-алюминиевые образцы, полученные сваркой взрывом из алюминия АД1 и меди М1. Анализ микроструктуры, оценку механических свойств и распределение микротвердости у образцов на всех этапах исследования осуществляли по стандартным методикам. Исследование фазового состава образующихся в ходе изотермического отжига в зоне сварного шва интерметаллидных прослоек проводили с помощью электронно-зондового микроанализатора '\JCXA-733". Измерение переходного электросопротивления биметалла проводили

согласно ГОСТ 22261-94 на приборе микроомметр БСЗ-010-2. Испытания и оценку результатов по пластичности биметалла проводили согласно ГОСТ 10510-80 на приборе Эриксена. Расчет параметров соударения свариваемых элементов и математическая обработка экспериментальных данных осуществлялись с помощью специализированных пакетов прикладных программ.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель расчета и выбора технологических параметров сварки взрывом (скорости соударения и скорости точки контакта), позволяющая управлять данными параметрами в широком диапазоне с целью получения требуемой структуры и свойств материалов за счет использования в схеме нагружения промежуточных клиновидных элементов из инертного материала малой плотности (поролон, пенопласт и др.).

2. Установлена взаимосвязь между технологическими параметрами ударно-волнового нагружения, структурой, фазовым составом, прочностными и электрофизическими свойствами получаемого биметалла, на основе чего произведен выбор рациональных значений этих параметров, обеспечивающих получение соединений, обладающих заданными физико-механическими характеристиками.

3. Исследованы структурные превращения в биметалле медь-алюминий при термической обработке. Определены коэффициенты диффузии и энергии активации образования фаз, что явилось основой для выбора рациональных режимов изотермического отжига, обеспечивающих снятие наклепа до начала образования промежуточных интерметаллидных соединений и получение композиционного материала с повышенными физико-механическими свойствами.

4. Определены зависимости между кинетикой роста промежуточных фаз, температурой и временем отжига, что позволило прогнозировать изменение свойств биметалла медь-алюминий в процессе эксплуатации.

Практическая ценность.

1. Разработан способ сварки тонколистовых материалов (от 0,2 до 1,0 мм) с применением промежуточных клиновидных элементов из инертных материалов малой плотности (поролон, пенопласт и др.),

что позволило использовать для сварки стандартные взрывчатые вещества (ВВ). Получен патент РФ на изобретение №2185942 от 27.07.2002 г. "Способ получения неразъемных соединений сваркой взрывом".

2. Создан пакет прикладных программ, позволяющий производить расчет параметров сварки взрывом различных тонколистовых композиций по предложенному способу.

3. Разработан новый вариант изготовления переходных биметаллических медно-алюминиевых шайб электротехнического назначения. Внедрение данных элементов на предприятии ФГУП "НИИЭМП" (г. Пенза) с улучшенным, по сравнению с аналогичными шайбами, полученными холодной сваркой, комплексом электрофизических и механико-эксплуатационных характеристик, достигнутым применением технологии сварки взрывом позволило получить фактический экономический эффект 40000 руб. (в ценах 2003 г.) Доля участия автора составила - 60 %.

4. В рамках научно-исследовательской работы: "Разработка генератора энергии электромагнитного поля на основе использования фоновых напряжений круговых токов электронов разнородных электропроводящих материалов" для ООО "ДЕИТЕРИЙ" (г. Пенза) разработана технология изготовления биметаллических медно-алюминиевых контактов различных модификаций. Условный экономический эффект от внедрения результатов данной работы в ценах 2003 г. составил 131400 (сто тридцать одну тысячу четыреста) руб.

Основные положения, выносимые на защиту.

• Новый способ сварки взрывом, позволяющий управлять структурой и свойствами соединений при получении тонколистового биметалла медь-алюминий.

• Математическая модель и пакет прикладных программ по рационализации параметров процесса сварки взрывом, необходимые для получения заданных характеристик материалов.

• Методы теоретических и экспериментальных исследований влияния технологических параметров ударно-волнового нагружения на микроструктуру и свойства биметалла медь-алюминий.

• Концептуальная зависимость структурных превращений в биметалле медь-алюминий при термической обработке и изучения его физико-механических характеристик.

• Технология термической обработки полученного биметалла, обеспечивающая повышенные свойства изделий.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международных и всероссийских научно-практических и технических конференциях: "Новые материалы и технологии на рубеже веков" (г. Пенза, 2000 г.), "Технические средства охраны, комплексы охранной сигнализации и системы управления доступом" (г. Заречный, Пензенская область, 2000 г.), "Сварка и смежные технологии" (г. Москва, 2000 г.), " Материалы и технологии XXI века " (г. Пенза, 2001 г.), "Физическая мезомеханика материалов" (г. Томск, 2001 г.), "Современные материалы и технологии -2002" (г. Пенза, 2002 г.); в Межвузовских сборниках научных трудов «Сварка взрывом и свойства сварных соединений» (г. Волгоград, 2000 и 2002 гг.); на научной сессии МИФИ-2003 "Физические проблемы материаловедения. Перспективные наукоемкие технологии. Физика, химия и компьютерная разработка материалов" (г. Москва, 2003 г.); ежегодных научных конференциях в Пензенском государственном университете (1999 - 2003 гг.).

Результаты диссертационной работы награждены дипломом Всероссийского научно-промышленного форума "Россия единая 2002", удостоены золотой медали третьего международного салона инноваций и инвестиций (г. Москва, ВВЦ, 2003 г.).

Публикации.

По материалам работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе патент на изобретение.

Структура и обьем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, включающего 107 наименований, и двух приложений. Диссертация изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц, 45 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту, показана практическая ценность результатов исследования.

В первой главе проведен анализ отечественных и зарубежных литературных данных, касающихся изучаемой проблемы, а также анализ основных схем и параметров сварки взрывом. Рассмотрены главные понятия, принципы и закономерности процесса формирования структуры сварных соединений при сварке взрывом. Дана характеристика исследуемых материалов меди М1 и алюминия АД1, а также произведен анализ их взаимодействия согласно диаграмме состояния двухкомпонентной системы Cu-Al. Показано, что получение соединений исследуемых материалов, отвечающих заданным требованиям прочности, может быть достигнуто путем выбора рационального диапазона параметров сварки с учетом физико-механических свойств материалов. Проведен анализ выбора взрывчатых веществ для сварки взрывом.

Анализ литературных данных, посвященных сварке взрывом меди и алюминия, а именно исследований, связанных с изучением особенностей формирования соединения при сварке алюминия с медью, определения характера пластического течения металлов, распределения сдвиговых деформаций в околошовной зоне показал, что, несмотря на глубокие исследования в этой области, многие моменты остаются не полностью изученными или практически не исследованными. Авторами установлено, что для получения медно-алюми-ниевого биметалла в качестве рациональных параметров сварки взрывом следует выбирать режимы, обеспечивающие минимальные энерговложения в зону соединения, либо вести сварку меди с алюминием на т.н. низкоинтенсивных режимах, характеризующихся малыми значениями скорости точки контакта и большими углами соударения. Показано, что рациональным, в этой связи, было бы использование стандартных ВВ, характеризующихся устойчивой скоростью детонации, и безугловой схемы сварки.

Остается также малоизученным вопрос, связанный с исследованием структурных и фазовых преобразований, происходящих в биметалле медь-алюминий, полученном сваркой взрывом, а также с изменениями технико-эксплуатационных и физико-механических характеристик биметалла в процессе эксплуатации.

Вторая глава посвящена разработке способа и математическому моделированию процесса сварки взрывом тонколистового биметалла медь-алюминий.

Проблема получения качественного соединения тонколистовых материалов в первую очередь связана с тем, что в большинстве случаев для сварки таких материалов требуется довольно низкая скорость точки контакта метаемых пластин, которую можно обеспечить либо варьированием смесевого состава ВВ, либо изменением установочного зазора. Реализация такого рода режимов связана с рядом трудностей, особенно если речь идет о сварке взрывом тонколистовой меди и алюминия. Использование сильно разбавленных смесе-вых ВВ, с характерной для них малой скоростью точки контакта, не всегда оправдано и целесообразно. Применение таких ВВ характеризуется неустойчивым ходом процесса детонации при их инициировании и достаточно узким диапазоном скоростей контакта. Угловая схема для сварки тонколистой меди и алюминия не применима из-за низкого качества получаемого биметалла.

С целью обеспечения возможности сварки тонколистовых материалов с использованием стандартных взрывчатых веществ было предложено использование в схеме сварки промежуточных клинообразных элементов из инертных материалов, обладающих минимальной плотностью (поролон, пенопласт и др.) с тем, чтобы не увеличивать кинетическую энергию при соударении метаемой и неподвижной пластин. Эта задача решена в работе путем создания новой схемы сварки (патент РФ № 2185942). На рис. 1 представлен общий вид разработанной схемы.

В предложенной схеме нагружения промежуточный элемент из инертного материала клинообразной формы расположен таким образом, что фронт детонации распространяется в направлении его наименьшего катета, величина которого определяется углом клина. Промежуточный элемент обеспечивает запаздывание подхода фронта детонации к метаемой пластине, увеличивающееся от места ини-

циирования заряда. Варьирование скорости точки контакта возможно за счет изменения угла клина промежуточного элемента, величина которого, в свою очередь,определяется плотностью инертного материала.

Рис. 1. Схема сварки материалов взрывом с использованием промежуточной вставки из инертного материала: 1 - электродетонатор;

2 - контейнер с взрывчатым веществом; 3 - промежуточный элемент;

4 - метаемая пластина; 5 - пластина-основание; 6 - грунт

Установлено, что использование клиновидных инертных вставок позволило управлять в ходе процесса сварки как скоростью соударения, так и скоростью точки контакта, а оценка влияния применения в схеме нагружения плоских инертных вставок на скоростные параметры процесса показала, что с их помощью возможно осуществлять регулирование скорости соударения.

Применительно к данной схеме и с целью расчета основных параметров сварки взрывом была разработана математическая модель, включающая в себя ряд положений и учитывающая влияние факторов, определяющих свойства и эксплуатационные характеристики получаемого композиционного материала. В ее основу легла математическая модель, описывающая динамику нагружения при сварке материалов взрывом, базирующаяся на основе математических уравнений Баума-Станюковича-Шехтера, разработанная при решении газодинамической задачи метания абсолютно упругого тела продуктами детонации взрывчатых веществ. Данная система была трансформирована к виду дискретной функции, учитывающей приращение массы метаемой пластины за счет вовлечения в движение подвижных пластин многослойного пакета, а также использование в схеме нагружения промежуточного клинообразного элемента из инертного материала. При этом уравнение по определению величины

1

приведенной массы метаемых элементов многослойного пакета получило следующий вид:

П = М_te__(1)

4 27 " * '

Pi) + бвст Рвет)

где и — количество свариваемых слоев; к — количество элементарных моментов времени; 80 - толщина заряда ВВ; 5i- толщина метаемой пластины; — толщина инертной вставки в элементарный момент времени; ро - плотность взрывчатого вещества; p¡ - плотность материала метаемой пластины; рвст - плотность материала инертной вставки.

Приращение толщины клинообразного элемента в элементарный момент времени рассчитывается по следующей формуле:

6ВСТ = S tga, (2)

где a - угол клина; s — расстояние, проходимое фронтом детонации ВВ в элементарный момент времени.

В случае использования в схеме нагружения плоской вставки из инертного материала толщина ее имеет постоянное значение.

Сравнение экспериментальных и расчетных значений основных параметров сварки показывает их удовлетворительную сходимость (расхождение не превышает 5%), что свидетельствует о корректности предлагаемой модели.

Разработанный математический аппарат был положен в основу создания исследовательской части пакета прикладных программ (ППП) по расчету параметров сварки материалов взрывом. Работа исполняемого 111111 реализуется на IBM-совместимых ПЭВМ в среде Windows 98-2000. В качестве языка программирования был использован язык Visual Basic 6.0 фирмы Microsoft. Программа состоит из двух автономных частей: исследовательской (расчетной) и конструкторской (рационализационной). Ввод исходных данных может осуществляться как из автоматизированной базы данных (АБД), так и непосредственно пользователем.

Структурная схема 111111 приведена на рис. 2. Организация интерфейса 111111 (рис. 3) делает доступным выбор одного или нескольких параметров одновременно путем ввода значений с клавиатуры или из списка. Созданный lililí позволяет производить конструкторские и

технологические расчеты по определению параметров соединения и упрочнения материалов взрывом. Он может быть также использован для проведения исследовательских расчетов при подготовке экспериментов, связанных с изучением влияния ударно-волновой обработки на структуру и свойства материалов при их сварке и плакировании.

Рис. 2. Структурная схема ППП "Сварка материалов взрывом"

Программа "ИССЛЕДОВАТЕЛЬ"

V Инертная встаж«

Заряд ве

»ные,данные и результаты расчета. .- .

Характеристики слоев-

М1 Макрих 'Ч|,ми

Инертная "ставка

Угол.щад

Результаты расчет«

пкс ш/о Уо. м/о <о, град

Амм. № 6ЖВ 0,м*>2900 НВВ,мм=15 Р.ПЮ^=0.75

МедьМ1

9Р

1992,0

330,9

6,5

Алом. АД1

1

Рис. 3. Основной функциональный экран программы "ИССЛЕДОВАТЕЛЬ" ППП "Сварка материалов взрывом"

Помимо этого, в главе обоснован выбор методики статистической оценки и обработки результатов эксперимента, учитывающей влияние комплекса условий его проведения, что являлось одной из основных задач данной работы.

Для обработки экспериментальных данных в данной работе была использована методика регрессионного анализа, лежащая в основе одного из модулей математического пакета "БТАТКТЮА 5.5". Это позволило на высоком качественном уровне решить вопрос достоверности получаемых результатов.

В третьей главе исследовано влияние основных параметров сварки взрывом на микроструктуру и свойства биметалла медь-алюминий.

Сварку производили в широком диапазоне скоростей, как скорости соударения Ус, так и скорости точки контакта Ук. Скорость точки контакта изменяли в пределах от 1800 до 2700 м/с, а скорость соударения в пределах от 240 до 500 м/с. Варьирование данных параметров осуществлялось посредством использования в схеме ударно-волнового нагружения промежуточных элементов клиновидной и плоской формы из инертного материала (поролон, пенопласт и др.).

Расчет параметров взрывного нагружения производили с использованием разработанного ППП. Результаты расчета, а также исходные параметры схем ударно-волнового нагружения приведены в табл. 1.

Целью этих экспериментов являлось установление таких параметров, при которых обеспечивалась бы высокая прочность соединения.

Проведенными испытаниями на срез слоев биметалла установлено, что для образцов, сваренных в диапазонах скоростей Ук = = 1850....2350 м/с и Ус = 250....350 м/с, характерны наилучшие прочностные показатели. Разрыв соединения происходит не по шву, а по наименее прочному материалу биметаллической пары - алюминию, прочность на разрыв в данном случае составляет 95-123 Н/мм2, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к биметаллу.

Минимальные значения прочности (55-75 Н/мм2) показали образцы, полученные на завышенных скоростных режимах 9, 10 и 11 (см. табл. 1), разрушение которых происходило по сварному шву. Следует также заметить, что в диапазоне скоростей Ус<250 м/с схватывание металлов либо полностью отсутствовало, либо наблюдалась частичная сварка металлов.

Анализ микроструктуры зоны соединения на различных режимах сварки показал, что для образцов, полученных в диапазонах скоростей Ук = 1850....2350 м/с и Ус = 250....350 м/с, сварной шов имеет прямую или слабосинусоидальную границу раздела без образования участков расплава (рис. А,а). С увеличением скорости точки контакта и скорости соударения вдоль всей границы сварного шва наблюдается появление прослоек расплава (рис. 4,6).

Таблица 1

Исходные данные и результаты расчета основных параметров процесса сварки тонколистового биметалла медь-алюминий в зависимости от режима

Режим сварки Тип взрывчатого вещества Исходные параметры сварки Результаты расчета

Взрывчатое вещество Толщина пластин свариваемых материалов, мм Величина зазора между пластинами, мм Угол клина промежуточной вставки, град Толщина плоской вставки, мм V„ м/с Vc,M/C

D„, м/с н» мм Си А1

1 Аммонит 6ЖВ 3300 20,0 1 2 '3 11 - 1770 400

2 Аммонит 6ЖВ 2900 15,0 1 2 1 8 - 1800 300

3 Аммонит 6ЖВ 3300 20,0 1 2 3 9 - 1950 440

4 Аммонит 6ЖВ 2900 15,0 1 2 1 6 - 2000 330

5 Аммонит 6ЖВ 2300 10,0 1 г 3 - 5 2300 236

б Аммонит 6ЖВ 2300 10,0 1 2 1 - - 2300 325

7 Аммонит 6ЖВ 3300 20,0 1 2 2 б - 2300 490

8 Аммонит 6ЖВ 3300 20,0" 1 2 1 б - 2320 420

9 Аммонит 6ЖВ 3300 20,0 1 2 1 3 - 2600 480

10 Аммонит 6ЖВ + Селитра (50/50) 2700 40,0 1 г 1 - 5 2700 410

11 Аммонит 6ЖВ + Селитра (50/50) 2700 40,0 1 2 1 - 15 2700 290

А1

хЗОО

6

Рис. 4. Микроструктура зоны соединения биметалла медь-алюминий в зависимости от режима сварки

Примечание. Основные параметры режимов сварки приведены в табл. 1.

Путем измерения микротвердости в направлении, перпендикулярном линии сварного шва, показано, что на расстоянии 1,5-2 мм от линии сварного шва величина упрочнения меди максимальна и достигает 860-940 НУ (рис. 5). По мере удаления от линии шва наклеп меди уменьшается, и на расстоянии более 7 мм твердость меди становится равной 690-720 НУ. На алюминии зона наибольшего упрочнения вплотную примыкает к линии сварного шва (0,3 мм), и максимальная твердость здесь составляет 400-460 НУ, по мере увеличения глубины значения твердости алюминия постепенно снижаются и на расстоянии около 6-7 мм составляют 320-350 НУ в зависимости от режима сварки.

1000

4

V— -1 омин ий

!ДЬ

400

-ш- м- ..... ..... — ..... •1

1000 800 600 400 200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Расстояние от зоны сварного шва, мкм

—•—Режим№4 —А—Режим1 ♦ Режим№9 --■ - Исходная микротвераосп.до сварки

Рис. 5. Измерение микротвердости в сварном соединении медь-алюминий в зависимости от режима сварки

Примечание. Основные параметры режимов сварки приведены в табл. 1.

Измерение микротвердости прослоек расплава выявило, что у образцов, сваренных на режимах № 9 и № 10, величина микротвердости прослойки составляет 4500-4600 НУ, а у образцов, сваренных на режимах № 3 и № 8, величина микротвердости расплава -3500-3600 НУ, что свидетельствует об их различном составе.

Путем микрорентгеноспектрального электронно-зондового анализа сваренных на различных режимах образцов было установлено, что увеличение скорости точки контакта (режимы № 9 и № 10, табл. 1) приводит к образованию в зоне сварного шва интерметаллидной фазы СиА12, а увеличение скорости соударения (режимы № 3 и № 8, ' табл. 1) приводит к образованию неравновесного химического соединения СиА16. Подтверждено выявленное микроскопическим исследованием отсутствие фазовых и интерметаллидных включений у » образцов, сваренных в диапазонах скоростей ¥к = 1850...2350 м/с и

Vc= 250....350 м/с (режимы № 4 и № 6, табл. 1), на основании чего, с учетом результатов механических испытаний, указанные режимы были выбраны в качестве наиболее рациональных для получения тонколистового биметалла медь-алюминий.

На основе проведенных исследований была разработана конструкторская ветвь 1111П, позволяющая производить рациональный выбор параметров сварки взрывом.

Четвертая глава посвящена исследованию структурных превращений в биметалле медь-алюминий при термической обработке и изучению его физико-механических характеристик.

Исследовано влияние термической обработки на кинетику образования и роста интерметаллидных прослоек в сварном соединении медь-алюминий. Удалось зафиксировать момент появления интерме-таллидов определенного размера (0,8-1,0 мкм) при каждой из исследованных температур и представить его в виде графика (рис. 6).

550 -----

^ 500 i----------

Ё 450 " гС------

g \ Интерметалл иды есть

§ 400 -----

Н 350 ---1 ^"""-ч -- ---- •

Интерметаллидов нет : [ [ >

300 -1-1---

О 20 40 60 80

Время выдержки, мин

Рис. 6. Температурно-временная зависимость появления интерметаллидов в тонколистовом биметалле медь-алюминий

Установлено, что в зоне сварного шва происходит образование двух видимых прослоек фазы. Рост толщины прослоек экспоненциально зависит от увеличения температуры и времени выдержки (рис. 7), при этом прослойка со стороны меди обладает наибольшей твердостью, равной 4500 HV, прослойка со стороны алюминия - 3500 HV. По ме-

I нтерметал лиды есть

Интерметаллидов нет 1 1

ре удаления от интерметаллидной зоны твердость уменьшается до значений, соответствующих твердости самой меди 490-590 НУ и алюминия 245-300 НУ.

Время выдержки, мин

—♦— ТО 350*С (фаза па Си) -о— ТО 350 С (фаза на А1) -в-Т0400°С(фазаноСи) -о- ТО 400 С (фаза на А1) —ТО 450°С (фаза на Си) -О-ТО 450*С (фаза на А1) ТО 500"С (фаза на Си) -А- ТО 500°С (фаза на А1)

Рис. 7. Зависимость роста толщины интерметаллидных прослоек от температуры и времени выдержки

Изучено изменение величины микротвердости биметалла медь-алюминий и определен состав интерметаллидных фаз, образующихся в зоне соединения при термической обработке. Микрорентгеноспек-тральный анализ фазовых прослоек показал, что прослойка I со стороны алюминия (рис. 8) соответствует фазе СиА1б, а прослойка П со стороны меди соответствует фазе СиА12., то есть в ходе термообработки биметалла одновременно образуется два устойчивых типа ин-терметаллидов, состав и твердость которых аналогичны интерметал-лидам, образование которых в зоне сварного шва было зафиксировано на этапе формирования соединений.

масштаб графика: в 1 см 10 мкм

Рис. 8. Диаграмма распределения меди и алюминия поперек зоны соединения (ТО 400°С, выдержка 5 ч)

Результаты проведенного исследования позволили определить рациональный режим термической обработки биметалла, а именно, нагрев до 350°С и выдержку в течение 45 мин, в результате которого снимается наклеп, полученный биметаллом в ходе сварки и прокатки, при этом в зоне сварного шва отсутствуют фазовые включения.

Исследование диффузионных процессов, протекающих в биметалле медь-алюминий при изотермическом отжиге, позволило определить энергии активации образования интерметалл идных фаз и коэффициенты диффузии меди и алюминия, что дало возможность прогнозировать изменения структуры и свойств тонколистового би-

металла медь-алюминий в зависимости от технологических параметров и режимов обработки.

Таким образом, для прослойки со стороны меди Е = 212,24 кДж/моль, коэффициенты диффузии при 350°С и 450°С соответственно равны О35о= 6,12-Ю"19 см /с, 1З450 = 1,77-Ю'16 см2/с. Для прослойки со стороны алюминия Е = 247,36 кДж/моль коэффициенты диффузии при 350°С и 450°С соответственно равны О350= 1,46-10"22 см2/с, О45о= 1,08-10'19 см2/с.

На основании полученных данных была проведена теоретическая оценка роста прослоек фаз в сваренном на рациональных параметрах биметалле при завышенных температурах эксплуатации (от 90 до 210°С) в течение 20 лет.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что толщины образующихся в течение этого времени прослоек интерметал-лидных фаз являются ничтожно малыми (менее 1 мкм) и не могут оказывать существенного влияния на физико-механические характеристики соединений. Срок эксплуатации элементов при этом фактически неограничен.

Испытаниями по определению переходного электрического сопротивления биметалла и исследованием его пластичности установлено, что биметалл, полученный по разработанной технологии, характеризуется повышенными эксплуатационными и физико-механическими характеристиками по сравнению с биметаллом, полученным традиционным способом.

Остаточный наклеп, полученный биметаллом в ходе сварки и последующей прокатки, снимается при температуре 350°С и выдержке 45 мин. Биметалл характеризуется наилучшей пластичностью, сравнимой с пластичностью меди той же толщины, при этом величина его переходного электросопротивления в 2-2,5 раза ниже, чем переходное сопротивление аналогичного биметалла, полученного холодной сваркой.

В заключении приведены результаты промышленного применения продукции, изготовленной с использованием разработанной технологии и схемы сварки взрывом. Внедрение в производство изделий позволило получить фактический экономический эффект 40000 (со-

рок тысяч) руб. и условный экономический эффект в 131400 (сто тридцать одну тысячу четыреста) руб. в ценах 2003 г.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложен новый способ сварки взрывом тонколистовых материалов, позволяющий управлять их структурой и свойствами для получения качественных соединений за счет регулирования значениями скоростей точки контакта и соударения применением в схеме ударно-волнового нагружения промежуточных клиновидных и плоских элементов из инертных материалов малой плотности.

2. Разработаны математическая модель и пакет прикладных программ río расчету и рациональному выбору основных параметров ударно-волнового нагружения, позволяющие определять значения скорости точки контакта и соударения в зависимости от типоразмеров промежуточного элемента и свариваемых материалов для получения высококачественных соединений.

3. Установлено преимущественное влияние на структуру и прочность биметаллических материалов медь-алюминий скорости точки контакта. Показано, что при скорости точки контакта менее 2350 м/с и скорости соударения в интервале от 250-400 м/с полученные соединения обладают прочностью выше прочности алюминия при отсутствии или незначительном количестве интерметаллидных фаз (не более 10% от общей протяженности линии сварного шва).

4. Исследовано влияние параметров ударно-волнового нагружения на микроструктуру, микротвердость и состав фаз в зоне соединений. Выявлено значительное повышение твердости меди и алюминия по отношению к твердости в исходном состоянии перед сваркой. В околошовной зоне твердость меди составляет 860-940 НУ, в основном металле — 690-720 НУ. На алюминии околошовная зона имеет твердость 400-460 НУ, основной металл - 320-350 НУ. В зоне сварного шва установлено наличие двух типов фаз CuAI2 твердостью 4500 НУ и CuAle твердостью 3500 НУ. Появление первой преимущественно связано с повышением скорости точки контакта, второй -скорости соударения.

5. Установлены температурно-временные интервалы изотермического отжига биметалла, а именно нагрев до температуры 340-360°С

и выдержка 30-50 мин, обеспечивающие полное снятие наклепа как в околошовной зоне, так и в области основных металлов после технологических операций без образования в зоне сварного шва интер-металлидных фаз. Исследована кинетика роста интерметаллидных прослоек в зоне сварного шва в ходе термической обработки биметалла. Показано, что отжиг приводит к одновременному возникновению двух типов интерметаллидов СиАЬ и СиА16. Определены основные параметры взаимной диффузии меди и алюминия.

6. Путем проведенных исследований свойств полученных материалов, а именно: прочности сварного соединения, штампуемости и переходного электросопротивления - установлено, что эти свойства значительно превышают свойства материалов, полученных по традиционной технологии. Прочность на срез слоев полученного биметалла составляет более 100 Н/мм2, штампуемость сравнима со штам-пуемостью меди (глубина вдавливания сферической лунки на приборе Эриксена для биметалла 11-12 мм, для меди 12-13 мм), а переходное электросопротивление в 2-2,5 раза ниже.

7. Разработан способ получения неразъемных соединений сваркой взрывом. Получен патент РФ № 2185942, приоритет от 27.07.2002 г. Разработан новый вариант изготовления переходных биметаллических медно-алюминиевых шайб электротехнического назначения с фактическим экономическим эффектом 40000 (сорок тысяч) руб. в ценах 2003 г. Доля автора 60 %. Разработана технология изготовления биметаллических медно-алюминиевых контактов различных модификаций с условным экономическим эффектом от внедрения результатов данной работы 131400 (сто тридцать одну тысячу четыреста) руб. в ценах 2003 г.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Крюков Д. Б. Элементы оптимизации параметров ударно-волнового воздействия для формирования заданной структуры и свойств соединений / Д. Б. Крюков, И. С. Лось, С. Г. Усатый // Новые материалы и технологии на рубеже веков: Материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2000. - С. 112-114.

2. Крюков Д. Б. Сварка разнородных материалов взрывом и программа расчета основных технологических параметров / Д. Б. Крюков, Э. С. Атрощенко, С. Г. Усатый, И. С. Лось, О. А. Беляев // Технические средства охраны, комплексы охранной сигнализации и системы управления доступом: Материалы Третьей Всерос. науч.-практ. конф. - Заречный, Пензенская область, 2000. - С. 142-144.

3. Крюков Д. Б. Математическая модель и программа расчета основных параметров соударения при сварке материалов взрывом / Д. Б. Крюков, Э. С. Атрощенко, А. Е. Розен, С. Г. Усатый, И. С. Лось И Сварка и смежные технологии: Материалы Всерос. науч.-техн. конф. -М.: МЭИ (ТУ), 2000. - С. 414-417.

4. Крюков Д. Б. Производство биметаллических материалов методом сварки взрывом / Д. Б. Крюков, Э. С. Атрощенко, А. Е. Розен, С. Г. Усатый, И. С. Лось // Материалы и технологии XXI века: Сб. материалов Всерос. науч.-техн. конф. - Пенза, 2001. - С. 10-12.

5. Крюков Д. Б. Расчет параметров сварки взрывом при метании цилиндрической оболочки / Д. Б. Крюков, Э. С. Атрощенко, А. Е. Розен, И. С. Лось, С. Г. Усатый // Межвуз. сб. науч. тр. "Сварка взрывом и свойства сварных соединений". - Волгоград, 2000. -С.24-30.

6. Крюков Д. Б. Сварка взрывом как метод получения композиционных материалов // Физическая мезомеханика материалов: Сб. науч. тр. Четвертой Всерос. конф. молодых ученых. - Томск, 2001. -С.128.

7. Крюков Д. Б. Разработка технологии получения биметалла медь-алюминий / Д. Б. Крюков, Э. С. Атрощенко, И. С. Лось, О. А. Беляев // Современные материалы и технологии - 2002: Сб. ст. Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2002. - С. 101-103.

8. Крюков Д. Б. Технология изготовления и изучение свойств тонколистовых медно-алюминиевых композиционных материалов, полученных сваркой взрывом / Д. Б. Крюков, Э. С. Атрощенко, И. С. Лось, М. К. Смирнов // Межвуз. сб. науч. тр. "Сварка взрывом и свойства сварных соединений". - Волгоград, 2002. - С. 117-125.

9. Крюков Д. Б. Получение тонколистовых биметаллических материалов сваркой взрывом / Д. Б. Крюков, О. А. Беляев, И. С. Лось //

Физические проблемы материаловедения. Перспективные наукоемкие технологии. Физика, химия и компьютерная разработка материалов: Сб. науч. тр. науч. сессии МИФИ-2003 в 14 томах. Т. 9. - М.: МИФИ, 2003. - С. 104—105.

10. Крюков Д. Б. Исследование структуры и свойств биметалла медь-алюминий, полученного сваркой взрывом / Д. Б. Крюков, И. С. Лось, Э. С. Атрощенко // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. - 2003. - № 1.

11. Крюков Д. Б. Способ получения неразъемных соединений сваркой взрывом / Д. Б. Крюков, Э. С. Атрощенко, А. Е. Розен, И. А. Казанцев, И. С. Лось, С. Г. Усатый, О. А. Беляев // Патент РФ на изобретение № 2185942 от 27.07.2002 г.

Крюков Дмитрий Борисович

Получение тонколистового биметалла

медь-алюминий сваркой взрывом и исследование его структуры и свойств

Специальность 05.02.01 — Материаловедение (Машиностроение)

Редактор С. В. Сватковская Технический редактор Н. А. Въялкова

Корректор Н. А. Сидельникова Компьютерная верстка С. П. Черновой

ИД № 06494 от 26.12.01 Сдано в производство 13.05.03. Формат 60х84'/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,39. Заказ № 325. Тираж 100.

Издательство Пензенского государственного университета. 440026, Пенза, Красная, 40.

» 10 1 s 1

(ol 87

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Схемы сварки взрывом и основные параметры процесса.

1.2 Механизм взаимодействия и образования соединения 2 j металлов при ударно-волновом нагружении.

1.3 Особенности формирования структуры сварных ^ соединений при сварке взрывом.

1.4 Выбор взрывчатых веществ для сварки взрывом.

1.5 Характеристика исследуемых материалов.

1.6 Постановка задачи исследования.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СПОСОБА И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СВАРКИ ВЗРЫВОМ ТОНКОЛИСТОВОГО БИМЕТАЛЛА МЕДЬ-АЛЮМИНИЙ чЦ 2.1 Разработка новой схемы сварки взрывом тонколистовых материалов.

2.2 Математическое моделирование и расчет основных параметров сварки взрывом применительно к новой схеме.

2.3 Разработка пакета прикладных программ для расчета параметров сварки взрывом.

2.4 Методы обработки экспериментальных данных.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ СВАРКИ ВЗРЫВОМ НА МИКРОСТРУКТУРУ И СВОЙСТВА БИМЕТАЛЛА МЕДЬ-АЛЮМИНИЙ

3.1 Выбор рациональных параметров сварки взрывом тонколистового биметалла медь-алюминий.

3.2 Методы исследования микроструктуры.

3.3 Микрорентгеноспектральный электронно-зондовый анализ зоны соединения.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ * ПРЕВРАЩЕНИЙ В БИМЕТАЛЛЕ МЕДЬ

АЛЮМИНИЙ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

И ИЗУЧЕНИЕ ЕГО ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

4.1 Изучение влияния термической обработки на кинетику образования и рост интерметаллидных прослоек в биметалле медь-алюминий.

4.2 Исследование изменения величины микротвердости биметалла медь-алюминий и определение состава интерметаллидных фаз образующихся в зоне соединения при термической обработке.

4.3 Изучение диффузионных процессов, протекающих в биметалле медь-алюминий при термической обработке.

4.4 Определение переходного электросопротивления тонколистового биметалла медь-алюминий, полученного сваркой взрывом.

4.5 Исследование пластических свойств тонколистового биметалла медь-алюминий.

4.6 Применение результатов исследований

ВЫВОДЫ.

Использование материалов, сочетающих высокую прочность, жаростойкость, коррозионную и эрозионную стойкость, открывает широкие возможности для усовершенствования технологических процессов и повышения качества продукции в химическом машиностроении, металлургии, атомной энергетике, а также других областях техники. Этим условиям в значительной степени отвечают биметаллические и многослойные материалы.

В настоящее время используются следующие основные промышленные способы получения биметалла: литое плакирование, пакетная сварка прокаткой, автовакуумная сварка давлением, электродуговая наплавка.

Все перечисленные способы не обеспечивают требуемого качества соединения из разнородных металлов, особенно образующих между собой хрупкие интерметаллидные соединения. Для получения таких биметаллов все шире применяется сварка металлов взрывом.

Этот способ, в создание которого внесли большой вклад такие ученые как: А.А. Дерибас, А.Г. Кобелев, В.М. Кудинов, Ю.А. Конон, П.О. Пашков, В.И. Лысак, С.В. Кузьмин, Ю.П. Трыков, B.C. Седых, А.В. Крупин, И.Д. За-харенко, Э.С. Атрощенко и др., а также научный персонал ряда научных центров: Института гидродинамики СО АНССР г. Новосибирск, Волгоградского Государственного Технического Университета, Института электросварки им. Е.О. Патона, Алтайского научно-исследовательского института технологии и машиностроения, Пензенского Государственного Университета и др., позволяет изготавливать биметаллические заготовки и изделия практически неограниченных размеров из разнообразных металлов и сплавов с необходимыми прочностными и пластическими свойствами.

Сварку взрывом наиболее целесообразно применять для соединения таких металлов и сплавов, которые известными способами получить затруднительно или невозможно. Сварка взрывом эффективна также при изготовлении крупногабаритных заготовок площадью в несколько квадратных метров.

Проблемам сварки взрывом посвящено большое количество работ, анализируя которые можно выделить основные направления исследований [1-4, 8-11]: 1) исследования динамики разгона и конфигурации пластин в процессе их соударения; 2) металлофизические исследования течения материалов в контактной зоне и образования интерметаллических соединений, а также остаточных напряжений; 3) исследования физических явлений — струеобразо-вания, волнообразования, тепловых явлений; 4) исследования служебных характеристик сваренных взрывом материалов; 5) связь параметров процесса с качеством соединения; 6) исследования причин появления дефектов и меры борьбы с ними; 7) исследования особенностей работы и расчета оборудования для сварки взрывом и др.

Однако несмотря на глубину и разносторонность исследований остаются неизученными многие вопросы рационализации и усовершенствования схем, параметров сварки взрывом для конкретных изделий различного функционального назначения. Сложность физических и структурных явлений, происходящих в зоне сварного шва и околошовной зоне, требует дополнительных исследований для конкретных условий сварки и последующей эксплуатации композиционных изделий.

После сварки взрывом, полученные композиционные материалы подвергаются различным видам последующих технологических операций (прокатка, термическая обработка, штамповка и др.). В результате этих операций физико-механические и эксплуатационные характеристики данных материалов могут претерпевать значительные изменения. В связи с этим необходим комплексный подход при исследовании технологического процесса производства композиционных изделий, работающих в конкретных условиях, способных приводить к глубоким изменениям в структуре и свойствах материалов.

Настоящая работа посвящена получению с помощью сварки взрывом тонколистового биметалла медь-алюминий для изготовления из него токове-дущих элементов электротехнического назначения с улучшенным комплексом физико-механических характеристик.

Целью работы является создание научно обоснованной технологии изготовления тонколистового биметалла медь-алюминий, включающей в себя рациональный выбор технологических параметров сварки взрывом и последующей термической обработки для получения изделий с повышенными физико-механическими характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать способ изготовления тонколистовых биметаллических материалов, позволяющий гибко управлять основными параметрами процесса сварки взрывом с целью обеспечения высокой прочности и технологичности изделий;

- исследовать влияние технологических параметров ударно-волнового нагружения (скорости соударения и скорости точки контакта) на прочность, микроструктуру и образование прослоек фаз в зоне соединения металлов меди и алюминия для предложенной схемы сварки;

- определить режим термической обработки, обеспечивающий восстановление физико-механических свойств биметалла медь-алюминий без образования промежуточных интерметаллидных соединений;

- разработать математическую модель (пакет прикладных программ), позволяющую определять основные параметры сварки взрывом для предложенной схемы;

- исследовать физико-механические характеристики изделий, изготовленных из полученного биметалла;

- разработать и внедрить технологию получения тонколистового биметалла медь-алюминий сваркой взрывом для изделий различного функционального назначения.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана математическая модель расчета и выбора технологических параметров сварки взрывом (скорости соударения и скорости точки контакта), позволяющая управлять данными параметрами в широком диапазоне с целью получения требуемой структуры и свойств материалов за счет использования в схеме нагружения промежуточных клиновидных элементов из инертного материала малой плотности (поролон, пенопласт и др.).

2. Установлена взаимосвязь между технологическими параметрами ударно-волнового нагружения, структурой, фазовым составом, прочностными и электрофизическими свойствами получаемого биметалла, на основе чего произведен выбор рациональных значений этих параметров, обеспечивающих получение соединений, обладающих заданными физико-механическими характеристиками.

3. Исследованы структурные превращения в биметалле медь-алюминий при термической обработке. Определены коэффициенты диффузии и энергии активации образования фаз, что явилось основой для выбора рациональных режимов изотермического отжига, обеспечивающих снятие наклепа до начала образования промежуточных интерметаллидных соединений и получение композиционного материала с повышенными физико-механическими свойствами.

4. Определены зависимости между кинетикой роста промежуточных фаз, температурой и временем отжига, что позволило прогнозировать изменение свойств биметалла медь-алюминий в процессе эксплуатации.

Практическая ценность работы:

1. Разработан способ сварки тонколистовых материалов (от 0,2 до 1,0 мм) с применением промежуточных клиновидных элементов из инертных материалов малой плотности (поролон, пенопласт, и др.), что позволило использовать для сварки стандартные взрывчатые вещества (ВВ). Получен патент РФ на изобретение №2185942 от 27.07.2002 г. "Способ получения неразъемных соединений сваркой взрывом".

2. Создан пакет прикладных программ, позволяющий производить расчет параметров сварки взрывом различных тонколистовых композиций по предложенному способу.

3. Полученные изделия и материалы были использованы и внедрены на ряде предприятий: 1) Для ФГУП "НИИЭМГГ (г. Пенза) был разработан новый вариант изготовления переходных биметаллических медно-алюминиевых шайб электротехнического назначения. Улучшенный комплекс электро-физических и механико-эксплуатационных характеристик изделий, достигнутый применением технологии сварки взрывом, позволил получить фактический экономический эффект 40000 рублей (в ценах 2003 г.) Доля участия автора составила 60 %., 2) Для ООО "ДЕЙТЕРИЙ" (г. Заречный Пензенской области) в рамках научно-исследовательской работы: "Разработка генератора энергии электромагнитного поля на основе использования фоновых напряжений круговых токов электронов разнородных электропроводящих материалов" разработана технология изготовления биметаллических медно-алюминиевых контактов различных модификаций. Результаты исследований и технические решения, переданы в ООО "ДЕЙТЕРИЙ" в 2003 г. Условный экономический эффект от внедрения результатов данной работы, в ценах 2003 г. составил 131400 (сто тридцать одну тысячу четыреста) рублей.

Работа выполнена на кафедре "Сварочное производство и материаловедение" Пензенского государственного университета.

Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международных и всероссийских научно-практических и технических конференциях: "Новые материалы и технологии на рубеже веков" (г. Пенза, 2000 г.), "Технические средства охраны, комплексы охранной сигнализации и системы управления доступом" (г. Заречный, Пензенская область, 2000 г.), "Сварка и смежные технологии" (г. Москва, 2000 г.), " Материалы и технологии XXI века " (г. Пенза, 2001 г.), "Физическая мезомеханика материалов" (г. Томск, 2001 г.), "Современные материалы и технологии -2002" (г. Пенза, 2002 г.), в Межвузовских сборниках научных трудов «Сварка взрывом и свойства сварных соединений», (г. Волгоград 2000 и 2002 г.), на научной сессии МИФИ-2003 "Физические проблемы материаловедения. Перспективные наукоемкие технологии. Физика, химия и компьютерная разработка материалов" (г. Москва, 2003 г.), ежегодных научных конференциях в Пензенском государственном университете (1999 - 2003 гг.).

Результаты диссертационной работы награждены дипломом Всероссийского научно-промышленного форума "Россия единая 2002", удостоены золотой медали третьего международного салона инноваций и инвестиций (г. Москва, ВВЦ, 2003 г.).

Выражаю огромную благодарность своему научному руководителю д.т.н., профессору, заслуженному деятелю науки РФ Атрощенко Эдуарду Сергеевичу за постоянное внимание и помощь при подготовке диссертации. Всем коллегам и товарищам, принимавшим участие в обсуждении результатов работы, приношу искреннюю признательность.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Предложен новый способ сварки взрывом тонколистовых материалов, позволяющий управлять их структурой и свойствами для получения качественных соединений за счет регулирования значениями скоростей точки контакта и соударения применением в схеме ударно-волнового нагружения промежуточных клиновидных и плоских элементов из инертных материалов малой плотности.

2. Разработаны математическая модель и пакет прикладных программ по расчету и рациональному выбору основных параметров ударно-волнового нагружения, позволяющие определять значения скорости точки контакта и соударения в зависимости от типоразмеров промежуточного элемента и свариваемых материалов для получения высококачественных соединений.

3. Установлено преимущественное влияние на структуру и прочность биметаллических материалов медь-алюминий скорости точки контакта. Показано, что при скорости точки контакта менее 2350 м/с и скорости соударения в интервале от 250 - 400 м/с полученные соединения обладают прочностью выше прочности алюминия при отсутствии или незначительном количестве интерметаллидных фаз (не более 10% от общей протяженности линии сварного шва).

4. Исследовано влияние параметров ударно-волнового нагружения на микроструктуру, микротвердость и состав фаз в зоне соединений. Выявлено значительное повышение твердости меди и алюминия по отношению к твердости в исходном состоянии перед сваркой. В околошовной зоне твердость меди составляет 860-940 НУ, в основном металле — 690-720 HV. На алюминии околошовная зона имеет твердость 400-460 HV, основной металл - 320-350 HV. В зоне сварного шва установлено наличие двух типов фаз CuA12 твердостью 4500 НУ и СиА16 твердостью 3500 НУ. Появление первой преимущественно связано с повышением скорости точки контакта, второй -скорости соударения.

5. Установлены температурно-временные интервалы изотермического отжига биметалла, а именно нагрев до температуры 340 - 360 °С и выдержка 30-50 мин, обеспечивающие полное снятие наклепа как в околошовной зоне, так и в области основных металлов после технологических операций без образования в зоне сварного шва интерметаллидных фаз. Исследована кинетика роста интерметаллидных прослоек в зоне сварного шва в ходе термической обработки биметалла. Показано, что отжиг приводит к одновременному возникновению двух типов интерметаллидов СиА12 и СиАЦ Определены основные параметры взаимной диффузии меди и алюминия.

6. Путем проведенных исследований свойств полученных материалов, а именно: прочности сварного соединения, штампуемости и переходного электросопротивления — установлено, что эти свойства значительно превышают свойства материалов, полученных по традиционной технологии. Прочность на срез слоев полученного биметалла составляет более 100 Н/мм2, штампуемость сравнима со штампуемостью меди (глубина вдавливания сферической лунки на приборе Эриксена для биметалла 11-12 мм, для меди 1213 мм), а переходное электросопротивление в 2-2,5 раза ниже.

7. Разработан способ получения неразъемных соединений сваркой взрывом. Получен патент РФ №2185942, приоритет от 27.07.2002 г. Разработан новый вариант изготовления переходных биметаллических медно-алюминиевых шайб электротехнического назначения с фактическим экономическим эффектом 40000 (сорок тысяч) руб. в ценах 2003 г. Доля автора 60 %. Разработана технология изготовления биметаллических медно-алюминиевых контактов различных модификаций с условным экономическим эффектом от внедрения результатов данной работы 131400 (сто тридцать одну тысячу четыреста) руб. в ценах 2003 г.

1. Дерибас А.А. Физика упрочнения и сварки взрывом// Новосибирск: Наука, 1980. 222 с.

2. Крупин А.В. Деформация металлов взрывом/ А.В. Крупин, В.Я. Соловьев, Н.И. Шефтель, А.Г. Кобелев// М.: Металлургия, 1975. 416 с.

3. Конон Ю.А. Сварка взрывом/ Ю.А. Конон, Л.Б. Первухин, А.Д. Чудновский; Под ред. В.М. Кудинова// М.: Машиностроение, 1987. 216 с.

4. Кудинов В.М. Сварка взрывом в металлургии/ В.М. Кудинов, А.Я. Коротеев// М.: Металлургия, 1978. 168 с.

5. Крупин А.В. Процессы обработки материалов взрывом. Учебное пособие для вузов/ А.В. Крупин, С.Н. Калюжин, Е.У. Атабеков, В.Я. Соловьев, М.И. Орлов// М.: Металлургия, 1996. 336 с.

6. Седых B.C. Классификация, оценка и связь основных параметров сварки взрывом// Сварка взрывом и свойства сварных соединений: Межведом, сб. науч. тр. ВолгПИ. Волгоград, 1985. - С.3-30.

7. Лысак В.И. Основные схемы и параметры сварки взрывом слоистых композиционных материалов/ В.И. Лысак, С.В. Кузьмин// Сварка взрывом и свойства сварных соединений: Межвузовский сб. науч. тр. ВолгГТУ. -Волгоград, 1998. С. 3-28.

8. Захаренко И.Д. Сварка металлов взрывом// Минск: Наука и техника, 1990. 205 с.

9. Баум Ф.А. Физика взрыва/ Ф.А. Баум, К.П. Станюкович, Б.И. Шехтер//М.: Изд-во физико-математической литературы, 1959. 800 с.

10. Каракозов Э.С. Сварка металлов давлением// М.: Машиностроение, 1986. 280 с.

11. Кочергин. К.А. Сварка давлением// Л.: Машиностроение, 1972.216 с.

12. Захаренко И.Д. Влияние толщины оксидной пленки на положение нижней границы области сварки взрывом/ И.Д. Захаренко, В.В. Киселев// Сварочное производство. 1985. - №9. - С. 4-5.

13. Мурр JI.E. Микроструктура и механические свойства металлов и сплавов после нагружения ударными волнами//М.: Металлургия, 1985. 241 с.

14. Мейерс М.А. Ударные волны и явления высокоскоростной деформации металлов. Пер. с англ./ М.А. Мейерс, JI.E. Мурр. Под ред. М.А. Мейерса// М.: Металлургия, 1984. 511 с.

15. Захаренко И.Д. Тепловые эффекты в зоне соединения при сварке взрывом/ И.Д. Захаренко, Т.М. Соболенко// Физика горения и взрыва. -1971. -Т.7. №3.- С. 433-436.

16. Эпштейн Г.Н. К оценке температурного режима зоны шва при сварке взрывом/ Г.Н. Эпштейн, П.А. Могилевский// Физика и химия обработки материалов. 1987. - №2. - С. 77-80.

17. Ишуткин С.Н. Исследование теплового воздействия ударно-сжатого газа на поверхность соударяющихся пластин/ С.Н. Ишуткин, В.И. Кирко, В.А. Симонов// Физика горения и взрыва. 1980. - №6. - С. 69-73.

18. Михайлов А.Н. К вопросу об измерении температуры при сверке металлов взрывом/ А.Н. Михайлов, А.Н. Дремин, В.П. Фетцов// Физика горения и взрыва. 1976. - Т.12. - № 4. - С. 594-604.

19. Седых B.C. Сварка взрывом и свойства сварных соединений/ B.C. Седых, Н.Н. Казак// М.: Машиностроение, 1971. 71 с.

20. Седых B.C. Сварка взрывом как разновидность соединения металлов в твердой фазе// Сварка взрывом и свойства сварных соединений: Межведом, сб. науч. тр. ВолгПИ. Волгоград, 1974.

21. Матусевич А.С. Композиционные материалы на металлической основе// М.: Наука и техника, 1978. 216 с.

22. Ионов В.Н. Динамика разрушения деформируемого тела/ В.Н. Ионов, В.В. Селиванов//М.: Машиностроение, 1987. 272 с.

23. Семенов А.П. О природе схватывания твердых тел// М.: Наука, 1967. С. 44-54.

24. Станюкович К.П. Неустановившееся движение сплошной среды// Киев: Техника, 1971.-854 с.

25. Деняченко О.А. О скорости движения метаемой пластины при взрывном нагружении/ О.А. Деняченко, Л.И. Долженко, А.Н. Кривенцов// Технология машиностроения: Сб. науч. тр. ВолгПИ. Волгоград, 1970. -С.85-90.

26. Дерибас А.А. Двумерная задача о метании пластин скользящей детонационной волной/ А.А. Дерибас, Г.Е. Кузьмин// Прикладная механика и техническая физика. 1970. - №1. - С. 1977-1983.

27. Кузьмин Г.Н. О метании плоских пластин слоями конденсированных ВВ/ Г.Н. Кузьмин, В.И. Мали, В.В. Пай// Физика горения и взрыва. -1972. Т.9. - №4.-С. 558-562.

28. Беляев В. И. Высокоскоростная деформация металлов/ В.И. Беляев, В.Н. Ковалевский, Г.В. Смирнов, В.А. Чекан// Минск: Наука и техника, 1976. -224 с.

29. Лысак В.И. Основные закономерности перехода к безволновым режимам формирования соединения при сварке взрывом/ В.И. Лысак, С.В. Кузьмин// Сварка взрывом и свойства сварных соединений: Межведом, сб. науч. тр. ВолгПИ. Волгоград, 1991. - С. 29-38.

30. Дубнов Л.В. Промышленные взрывчатые вещества/ Л.В. Дубнов, Н.С. Бахаревич, А.И. Романова// М.: Недра, 1988. 358 с.

31. Ван Флеи Л. Теоретическое и прикладное материаловедение. Пер. с англ.// М.: Атомиздат, 1975. 472 с.

32. Конструкционные материалы. Справочник. Под ред. Б.Н. Ар-замасова // М.: Машиностроение, 1990. 688 с.

33. Сорокин В.Г. Марочник сталей и сплавов/ В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова, С.А. Вяткин// М.: Машиностроение, 1989. 640 с.

34. Хвойка И. Цветные металлы и их сплавы: Пер с чешек.// М.: Металлургия, 1973. 240 с.

35. Алюминиевые сплавы. Промышленные деформируемые, спеченные и литейные алюминиевые сплавы: Справочное руководство// М.: Металлургия, 1972. 552 с.

36. Колачев Б.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов/ Б.А. Колачев, В.А. Ливанов, В.И. Елагин// М.: Металлургия, 1972. 480 с.

37. Неймарк Б.Е. Физические свойства сталей и сплавов, применяемых в энергетике. Справочник//М.: Энергия, 1967. 240 с.

38. Гжиров Р. И. Краткий справочник конструктора// JL: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1983. 464 с.

39. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие. Под ред. П.Н. Учаева. В 2-х кн. Кн.1// М.: Машиностроение, 1988. 560 с.

40. Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для высших учебных заведений// М.: Металлургия, 1986. 544 с.

41. Лахтин Ю.М. Материаловедение. Учебник для высших учебных заведений/ Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева// М.: Машиностроение, 1990. -528 с.

42. Лившиц Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов/ Б.Г. Лившиц, B.C. Крапошин, Я.Л. Линецкий// М.: Металлургия, 1980. 320 с.

43. Кузьмин С.В. Новые биметаллические переходные элементы для силовых электрических цепей/ С.В. Кузьмин, В.И. Лысак, Ю.Г. Долгий, Е.А. Чугунов и др.// Энергетик. 1995. - №4.

44. Чугунов Е.А. Новая методика исследования пластического течения металла при сварке взрывом/ Е.А. Чугунов, В.И. Лысак, С.В. Кузьмин, и др.// Сб. тезисов докл. Российской молодежной научной конференции "XXIII Гагаринские чтения". Москва. - 1997.

45. Лысак В.И. Классификация технологических схем сварки металлов взрывом/ В.И. Лысак, С.В. Кузьмин// Сварочное производство. 2002. -№9.-С 33-39.

46. Атрощенко Э.С. Способ получения неразъемных соединений сваркой взрывом/ Э.С. Атрощенко, А.Е. Розен, И.А. Казанцев, И.С. Лось, С.Г.

47. Усатый, Д.Б. Крюков, О.А. Беляев// Патент РФ на изобретение №2185942 от 27.07.2002 г.

48. Атрощенко Э.С*. Разработка технологии получения биметалла медь-алюминий/ Э.С. Атрощенко, Д.Б. Крюков, И.С. Лось, О.А. Беляев// Современные материалы и технологии 2002: Сборник статей Международн. науч.-техн. конф. - Пенза. - 2002. - С. 101-103.

49. Атрощенко Э.С. Технология взрывного прессования керамико-металлических и пъезокерамических материалов/ Дис. докт. техн. наук: 05.16.06. Защищена 26.12.85; Утв. 15.05.86 - Пенза, 1985. - 215 е.; Библи-огр.: С. 201 -205. ДСП.

50. Зельдович Я.Б. Физика ударных волн и высокотемпературных газодинамических явлений/ Я.Б. Зельдович, Ю.П. Райзер// М.: Наука, 1966. -686 с.

51. Зюзин В.П. Технология рентгеноимпульсной съемки/ В.П. Зю-зин, М.А. Манакова, В.А. Цукерман// Приб. и тех. эксп., 1958. №1. - С. 8492.

52. Черный А.А. Математическое моделирование применительно к литейному производству: Учеб. пособие. Пенза: Изд-во Пенз. Гос. ун-та, 1998.-121 с.

53. Математика и механика: Учебные записки. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1974. - Вып. 5. - 100 с.

54. Новик Ф.С. Оптимизация процессов технологии металлов методом планирования экспериментов/ Ф.С. Новик, Я.Б. Арсов// М.: Машиностроение; София: Техника, 1980. 304 с.

55. Бабкин А.С. Разработка САПР комплекса технологических документов сборки-сварки с применением системы управления базами данных реляционного типа// Сварочное производство. 1996. - №1. - С. 24-26.

56. Панков В.В. Математическая модель оптимизации многослойной сварки под флюсом корпусного оборудования энергетических установок/ В.В. Панков, Г.Г. Чернышев, Н.Е. Козлов// Сварочное производство. 1987. -№7.-С. 34-36.

57. Магид А.Е. Диалоговая система построения свариваемых взрывом слоистых композиционных материалов с помощью ЭВМ/ А.Е. Магид, В.И. Лысак// Сварка взрывом и свойства сварных соединений: Межведом, сб. науч. тр. ВолгПИ. - Волгоград, 1986. - С. 90-96.

58. Судник В.А. Основы научных исследований и техника эксперимента. Компьютерные методы исследования процессов сварки. Учебное пособие/ В.А. Судник, В.А. Ерофеев// Тула: ТулПИ, 1988. 95 с.

59. Судник В.А. Применение ЭВМ в сварочном производстве// М.: Итоги науки и техники ВИНИТИ. 1987. -Т.18. - С. 3-57.

60. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. Справочное руководство//М.: Наука, 1971. 192 с.

61. Айвазян С.А. Статистические исследования зависимостей. Применение методов корреляционного и регрессивного анализа при обработке результатов экспериментов// М.: Металлургия, 1968.

62. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. Учебное пособие// М.: Высшая школа, 1982. 224 с.

63. Плескунин В.И. Теоретические основы организации и анализа выборочных данных в эксперименте. Учебное пособие/ В.И. Плескунин, Е.Д. Воронина// Л.: ЛЭУ, 1979. 232 с.

64. Рыжов Э.В. Математические методы в технологических исследованиях/ Э.В. Рыжов, О.А. Горленко// Киев: Наук, думка, 1990. 184 с.

65. Сухов А.Н. Математическая обработка результатов измерений. Учебное пособие// М.: МИСИ, 1982. 89 с.

66. Belsley D.A. Regression Diagnostics/ D.A. Belsley, E. Kuh, R.E. Welsch// New York: Wiley. 1980.

67. Brownlee K.A. Statistical Theory and Methodology in Science and Engineering// New York: John Wiley. 1960.

68. Cox D.R. Regression models and life tables// Journal of the Royal Statistical Society, 1972. № 34, P. 187-220.

69. Волченко В.Н. Контроль качества сварки/ В.Н. Волченко, А.К. Гуревич, А.И. Майоров и др. Под. ред. В.Н. Волченко// М.: Машиностроение, 1975.-328 с.

70. Г.С. Санойлович Неразрушающий контроль металлов и изделий: Справочникам.: Машиностроение, 1976. 456 с.

71. Зилова Т.К. Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов/ Т.К. Зилова, Н.И. Новосильцева// М.: Машиностроение, 1974. С. 202-222.

72. Мак Лин Д. Механические свойства металлов. Пер. с англ./ Д. Мак Лин, Я.Б. Фридман. Под ред. Я.Б. Фридмана// М.: Металлургия, 1965. -135 с.

73. Марковец М.П. Определение механических свойств металлов по твердости// М.: Машиностроение, 1979. 190 с.

74. Коваленко B.C. Металлографические реактивы: Справочное издание//М.: Металлургия, 1981. 120 с.

75. Голдштейн Дж. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. Пер. с англ/ Дж. Голдштейн, Д. Ньюбери и др.// М.: Мир, 1984.

76. Грин Дж. Основы аналитической электронной микроскопии. Пер. с англ./ Дж. Грин, Дж. Голдштейн. Под ред. Дж. Грина// М.: Металлургия, 1990.

77. Вольдсет Р. Прикладная спектрометрия рентгеновского излучения. Пер. с англ.// М.: Атомиздат, 1977.

78. Лосев Н.Ф. Количественный рентгеноспектральный флуоресцентный анализ//М.: Наука, 1969.

79. Крупин А.В. Обработка металлов взрывом/ А.В. Крупин, В.Я. Соловьев, Г.С. Попов, М.Р. Кръстев// М.: Металлургия, 1991. 495 с.

80. Чугунов Е.А. Особенности сварки алюминия с медью/ Е.А. Чугунов, С.В. Кузьмин, В.И. Лысак, и др.// Новые материалы и технологии в машиностроении и приборостроении: Материалы науч.-техн. конф. Пенза -1997 г.

81. Металловедение и термическая обработка стали. Справочник в трех томах. Том 1 Методы испытаний и исследования: в двух книгах. Книга 1. Под ред. М.Л. Бернштейна// М.: Металлургия, 1991. 304 с.

82. Лариков Л.Н. Диффузионные процессы в твердой фазе при сварке/ Л.Н. Лариков, В.Р. Рябов, В.М. Фальченко// М.: Машиностроение, 1975.- 189 с.

83. Рабкин Д.М. Закономерности роста прослоек в свариваемом биметалле медь-алюминий/ Д.М. Рабкин, А.В. Лозовская, В.Р. Рябов// Автоматическая сварка. 1969. - №2. - С. 19-23.

84. Huet I.I. Etude des reactions a lietat solide entre A1 et Си// "Metallurgies", 1962, P. 49-53.

85. Физические величины. Справочник. Под ред. И.С. Григорьева и Е.З. Мейлихова// М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

86. Грецкий Ю.Я. Исследование диффузии в условиях нестацио-' нарного давления/ Ю.Я. Грецкий, Л.Н. Лариков, А.Т. Назарчук и др.// "Украинский физический журнал". 1968. - Т. 13. - № 5. - С. 751-756.

87. Физический энциклопедический словарь. Под ред. A.M. Прохорова// М.: Советская энциклопедия, 1983. 928 с.

88. Зайт Б. Диффузия в металлах. Пер. с нем.//М.: ИЛ., 1958.-381 с.

89. Криштал М.А. Механизм диффузии в железных сплавах// М.: Металлургия, 1972. 400 с.

90. Лариков Л. Н. Диффузия в металлах и сплавах/ Л.Н. Лариков, В.М. Фальченко//Тула: Изд. ТЛИ, 1968. С. 333-338.

91. Лысак В.И. Разработка методов и средств проектирования технологических процессов сварки взрывом / Автореф. дис. на соиск. уч. степени докт. техн. наук. Волгоград, 1995. - 43 с.

92. Баранов И. Б. Холодная сварка пластичных металлов// М.: Машиностроение, 1969. 208 с.

93. Крюков Д.Б. Исследование структуры и свойств биметалла медь-алюминий, полученного сваркой взрывом/ Д.Б. Крюков, И.С. Лось, Э.С. Атрощенко// Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. -2003.-№4.