автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Исследование тепловых процессов в околошовной зоне при сварке взрывом

На правах рукописи

ХАУСТОВ Святослав Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЕ ПРИ СВАРКЕ ВЗРЫВОМ

Специальность 05.02.10 Сварка, родственные процессы и технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 3 НОЯ 2011

Волгоград-2011

1858401

4858401

Работа выполнена на кафедре «Оборудование и технология сварочного производства» Волгоградского государственного технического университета

Научный руководитель заслуженный деятель науки РФ,

д-р техн. наук, проф. ЛЫСАК Владимир Ильич

Официальные оппоненты:

д-р. ф.-м. наук

ПАИ Владимир Васильевич

д-р. техн. наук, доц. ШМОРГУН Виктор Георгиевич

Ведущее предприятие:

ОАО "Производственное объединение "Баррикады", г. Волгоград

Защита состоится "25" ноября 2011 г. в 10— часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.02 в Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград-131, пр. Ленина, д.28, зал заседаний ученого совета (ауд.209).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан "Ц " октября 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кузьмин С.В.

ОБЩАЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационного исследования.

Сварка взрывом (СВ), обладая рядом специфических особенностей (сверхбольшими давлениями, реализуемыми в зоне соударения, высокой скоростью процесса и, как следствие, производительностью, возможностью получать соединения без расплавов), широко применяется наряду с другими технологическими способами для создания широкого спектра композиционных материалов.

Являясь высокопроизводительным способом изготовления композиционных материалов, СВ позволяет получать соединения практически любых разнородных материалов с прочностью на уровне свойств основных металлов. Это обусловлено возможностью целенаправленно избегать и исключать из технологического процесса стадии высокотемпературного нагрева для материалов обладающими неблагоприятными типами металлургического воздействия. В ряде случаев сварка взрывом является единственным способом производства биметаллов, например титан - сталь, алюминий - сталь и мн. др.

Резкое различие в физико-механических и тегоюфизических свойствах изготовленных с помощью СВ биметаллов определяет сложный характер протекания тепловых процессов в ОШЗ, влияние которых на образование и свойства сваренного взрывом композита порой играет определяющую роль. Исследованиями различных аспектов протекания тепловых процессов при сварке взрывом занимались исследователи McQeen R.G., Захаренко И.Д., Ишуткин С.Н., Кирко В.И., Конон Ю.А., Коротеев А.Я., Кривенцов А.Н., Кудинов В.М., Кузьмин C.B., Лысак В.И., Пай В.В., Седых B.C., Симонов В.А., Сонное А.П., Трофимов В.Г., Трыков Ю.П., Шморгуи В.Г. Однако, несмотря на достаточно глубокие изыскания в этой области, единой и общепризнанной модели протекания тепловых процессов при СВ так и не создано, а имеющиеся решения тепловых задач носят частный и несистемный характер и не имеют под собой общей базы, хотя полное решение тепловой задачи позволило бы уже на стадии технологического проектирования целенаправленно управлять параметрами режима сварки, обеспечивая благоприятную тепловую ситуацию в ОШЗ.

Актуальность выбранной темы исследования подтверждена выполнением ее в рамках госконтракта № 02.52.312.3021 с ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей" и гранта для молодых ученых ВолгГТУ, 2009.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы явилось создание научно обоснованных подходов целенаправленного управления тепловыми процессами в ОШЗ соединений при сварке взрывом.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработаны новые методы исследования тепловых процессов, позволяющие проводить количественную оценку тепла выделяющегося в процессе СВ, а также определять вклад различных тепловых источников в общий баланс тепла.

' Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору С. В. Кузьмину за участие в формировании направления работы и неоцешшую помощь в анализе результатов исследований

2. Создана математическая модель, описывающая распространение тепла от распределенных тепловых источников и наиболее полно удовлетворяющая условиям сварки взрывом: реализация температурной зависимости те-плофизических свойств, возможность численного расчета температурных полей за время порядка микросекунд в узкой области ОШЗ.

3. Установлена взаимосвязь остаточных пластических деформаций и выделяющегося в результате их действия тепла, оценена степень влияния удар-носжатого газа впереди точки контакта и воздействие ВВ на "тонких" пластинах (фольгах) на тепловую ситуацию в различных сечениях ОШЗ.

4. Создан пакет прикладных программ для моделирования и расчета тепловых процессов в условиях сварки взрывом.

5. Результаты исследования реализованы на практике.

Научная новизна состоит в выявлении закономерностей протекания тепловых процессов в ОШЗ композитов при сварке взрывом.

Разработаны новые расчетно-экспериментальные методы исследования тепловых процессов, протекающих при сварке металлов взрывом, основанные на применении естественных и локальных термопар и позволяющие достоверно строить температурные поля в ОШЗ и термические циклы сварки.

Показано и экспериментально подтверждено, что тепло, выделяющееся в ОШЗ при сварке взрывом за счет сдвиговой пластической деформации gmax, распределяется по толщине металла пропорционально эпюрам gmas(y). В связи с этим тепловую ситуацию в ОШЗ, обусловленную деформационными процессами, можно связать с действием мгновенного распределенного источника тепла переменной мощности д(у)=к^тах(у).

Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что в тепловом балансе ОШЗ необходимо учитывать тепло, выделяющееся при детонации ВВ, за счет которого температура контактирующих слоев металла может повышаться (при одновременном уменьшении ее градиента), приводя к оплавлению последних. Максимально этот эффект проявляется при метании тонколистовых материалов (фольг) с высокой теплопроводностью.

Методы исследования. Исследование тепловых условий формирования соединений при СВ, теплового влияния продуктов детонации ВВ, предварительного подогрева ударно-сжатым газом впереди точки контакта осуществлялось с помощью специально разработанных расчетно-экспериментальных методик, основанных на использовании локальных и нелокальных вариантов термопарных методов. Расчет параметров соударения свариваемых элементов производился с помощью специализированных пакетов прикладных программ, разработанных в рамках настоящего диссертационного исследования.

Практическая значимость. Проведенные исследования послужили основой для создания комплекса программ для моделирования тепловых процессов, позволяющих строить температурные поля сварки взрывом на основе известных термических циклов сечений ОШЗ и на основе сопоставления тепла, выделяемого в локальном объеме с реализуемыми в нем остаточными пластическими деформациями, а также рассчитывать изменение полученных температурных полей с течением времени и получать термические циклы любых сечений ОШЗ.

Использование разработанного ПО позволило оптимизировать режимы сварки медно-алюминиевых соединений для ОАО "ВГАЗ-СУАЛ-Ремонт". Экономический эффект достигнут за счет более высоких эксплуатационных свойств соединений, применяемых в контактных узлах, и составил около 3,3 млн. руб.

В рамках выполнения госконтракта № 02.52.312.3021 с ЦНИИ КМ "Прометей" разработана опытная технология сварки взрывом медно-алюминиевых композитов с наноструктурированной медной фольгой толщиной 0,3 мм, позволившая получить бездефектную зону соединения без оплавов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на 6-ти международных конференциях и симпозиумах (2004, 2007, 2010 - г. Волгоград; 2008 - г. Лиссе, Нидерланды; 2007 - г. Снежинск; 2009 - г. Москва), всероссийской с международным участием конференции (2004 - г. Пермь, 2007 - г. Саратов), региональных конференциях молодых исследователей (2004, 2007, 2008 - г. Волгоград), а также на ежегодных научно-технических конференциях и научных семинарах ВолгГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 печатные работы, в том числе 8 статей в российских периодических рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 8 статей в сборниках трудов международных научно-технических конференций, 6 тезисов докладов на всероссийских и региональной конференциях, 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературных источников и приложения, содержит 145 страниц машинописного текста, 73 рисунка, 5 таблиц. Список использованной литературы включает 115 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационного исследования, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены основные схемы и параметры сварки взрывом, а также роль тепловых процессов в образовании соединения и их влияние на свойства сваренных взрывом композитов. Как и для любого вида сварки те-плодеформационный режим сварки взрывом может значительно влиять на формирование и свойства соединения полученного сваркой взрывом и зачастую быть при этом определяющим фактором, а для эффективного воздействия и управления ими необходимо знание механизмов тепловыделения и наличие адекватной математической модели тепловых процессов. Для этого необходимо выявить источники тепла действующие при СВ и определить их вклад в общую тепловую ситуацию в ОШЗ.

Анализ литературы, посвященной исследованиям тепловых процессов при сварке взрывом, позволил выделить три основных источника тепла в порядке увеличения их вклада в общий баланс тепла:

- нагрев метаемой пластины продуктами детонации ВВ. Различные исследователи (Лысак В.И. , Трофимов В.Г., McQeen R.G.) дают оценку 1-7% от общего количества тепла в ОШЗ, при этом они связывают действие этого источника лишь с увеличением среднего значения энергии, аккумулированной в метаемой пластине, и полагают незначительным его влияние на процессы, протекающие на границе соединения. Однако это влияние может быть существенным при сварке относительно тонких пластин (фольг) с высокими теплопрово-дящими свойствами.

- нагрев поверхностей пластин потоком ударно сжатого газа впереди точки контакта. Исследованиями этого вопроса занимались Ишуткин С.Н., Карко В.И., Симонов В.А., Конон Ю.А., Кудинов В.М., Коротеев А.Я., Захаренко И.Д. и др. Оценка вклада этого источника колеблется от 2 до 6%, а его влияние исследователями полагается значительным и доказанным лишь при сварке протяженных (крупногабаритных) листов биметалла.

- нагрев металла за счет пластической деформации, обусловленной косым соударением пластин. Общепризнанным по мнению авторов (Седых B.C., Кузьмин C.B., Трыков Ю.П., Шморгун В.Г., Сонное А.П., Кривенцов А.Н., Пеев А.П. и др.) является определяющий вклад этого источника тепла (87-97%). Процесс описывался различными математическими моделями: с использованием мгновенных источников тепла, источников конечной ширины, распределенных источников, в том числе и источников, пропорциональных эпюрам остаточной пластической деформации ОШЗ. Однако экспериментального подтверждения и адекватной математической модели протекания тепловых процессов от действия такого источника до сих пор нет.

Таким образом, несмотря на обширные и подробные исследования, к настоящему времени единой точки зрения и подхода в рассмотрении тепловых процессов в условиях СВ не существует, всевозможные упрощения и допущения при расчете тепловых процессов в условиях сварки взрывом (различные варианты линейных, объемно-распределенных и действующих в ограниченной зоне тепловых источников постоянной мощности) дают лишь качественную картину, справедливую лишь в определенных сечениях и на ограниченных отрезках времени, и не позволяют рассматривать тепловые процессы в динамике, которая собственно и определяет условия формирования сварного соединения и его свойства. Это и обусловило основную направленность работы в рамках сформулированных цели и задач.

Во второй главе описаны разработанные оригинальные методики для расчета распределения температур по сечению сваренных взрывом материалов и термических циклов сварки в любом сечении ОШЗ. Для определения начальных (на момент окончания деформационных процессов в ОШЗ) одномерных температурных полей разработана методика "локального калориметрирования" с использованием калориметра таблеточного типа и одновременного определения эпюр реализуемых в ОШЗ остаточных пластических сдвиговых деформаций методом реперных вставок. Измерения проводили методом локальных термопар по двум схемам (рис. 1). По схеме 1 в неподвижную пластину 2 через изолятор 4 помещали вставки (таблеточные калориметры) из исследуемого ма-

Схема 1

Схема 2

Рис. 1. Схема локального "калориметрироваиия":

1 - термопара типа К, 2 - неподвижная пластина (основа), 3 - калориметр таблеточного типа (АМгб), 4 - термоизолятор, 5 - метаемая пластина (Ст. 3), 6 - реперкая вставка, 7 - про-

тивосварочное покрытие

териала 3 диаметром 15 мм и толщиной 2 мм. На внутренней поверхности вставок зачеканивали термопары, сигнал с которых регистрировался цифровым осциллографом.

Схема 2 (рис. 1) идентична схеме 1 с той разницей, что на поверхность основы 2 наносилось противосварочное покрытие 7 с целью предотвращения соединения метаемой пластины с основой и вставкой после прохождения точкой контакта поверхности последней. После окончания деформационных процессов в метаемой пластине и вставке образовавшееся соединение самопроизвольно разрушалось, и металл метаемой пластины исключался из последующих теплообменных процессов. Таким образом, по схеме 1 измерялась средняя температура Т0б метаемой пластины и вставки (пакета), а по схеме 2 - температура Т2 вставки (рис. 2). Предполагалось, что условия нагружения вставок в обоих случаях идентичны. Одновременно исследовался характер пластического течения в околошовной зоне с помощью реперных вставок для получения распределения максимальных сдвигов в неподвижном образце (вставке). Если принять, что выделение теплоты по толщине металла пропорционально работе затраченной на деформирование околошовной зоны и происходит мгновенно, то, зная общее количество выделившейся теплоты, можно построить начальные температурные поля пропорционально эпюрам остаточных пластических деформаций.

Из всего термического цикла интерес представляет только максимальная зафиксированная термо-ЭДС, характеризующая среднюю температуру вставки.

Значение средней температуры вставки после сварки, выполненной по схеме 1, позволяет определить общее удельное количество теплоты Qo5, выделенной в пакете (сваренные вместе вставка и метаемая пластина):

2об= ^об (ср^+с/^г), а, выполненной по схеме 2 - удельное количество теплоты (¿2, полученное только неподвижной вставкой.

<2г= Тгсрг(1г

ср., 1 /

■ V СР2 1 Г

^ 1 1 ~3

\ )

Й

Рис. 2. К расчету количества энергии в неподвижной пластине и сваренном пакете

При определении теплоты предполагалось, что потери теплоты через внешнюю поверхность много меньше теплового потока внутрь материала.

Исходя из того, что ¿06=61+62=^2 (где IV2 - энергия, затраченная на пластическую деформацию металла), рассчитывается количество теплоты выделенной в метаемой пластине:

01= боб- 02.

Таким образом <2\ и £>2 достоверно показывают каким образом энергия Ш2 распределяется между метаемой и неподвижной пластиной.

Имея эпюры остаточных пластических деформаций е(у) (рис. 3) и зная общее количество теплоты, выделившейся в неподвижной пластине, и тот факт, что е пропорционально £> или (где к

- коэффициент пропорциональности, е„ 0> - относительное значение деформации и количество выделившейся в /-том слое толщиной Ау теплоты), можно определить распределение температуры по толщине вставки, т. е. построить начальное температурное поле в околошовной зоне.

Г "Г"

Ё*.

к-(£,+Е1+... + £11) = д2

7>

а

■+г„

ФШ(у)

Рис. 3. Построение эпюры остаточных пластических деформаций в ОШЗ

срАУ

Таким образом, полученные эпюры остаточных пластических деформаций (рис. 3) и значения £>2 в неподвижной пластине позволяют путем несложных расчетов определить начальное распределение температуры в неподвижной пластине и в дальнейшем рассчитывать его выравнивание по сечению пластины с течением времени.

С целью определения степени влияния ударно сжатого газа и процессов протекающих в сварочном зазоре впереди точки контакта на тепловую ситуацию в ОШЗ в неподвижной основе помещали две вставки, выполненные по схеме 1 (рис. У), в начале и в конце пластины на расстоянии I друг от друга (см. рис. 4). В опытах определяли средние температуры вставок, а по их значениям рассчитывали количество тепла заключенное в них, а также разность тепла

игт

<31

7

г

I-

О)'

внесенного в образцы в начале и в конце сварки за счет теплового воздействия ударно сжатого воздуха.

Для детального исследования эффекта предварительного подогрева слоев металла впереди точки контакта потоком ударно-сжатого газа и определения термических циклов сечения ОШЗ была разработана методика, основанная на использовании естественных термопар, образующихся непосредственно во время соударения термообразующих элементов (констанган и медь).

Схема опытов изображена на рис.5. Поскольку интерес представляет тепловая ситуация не только на границе соединения но и в ОШЗ, где действуют интенсивные пластические деформации, и выделяется основная доля тепла, то

Рис. 4. Определение влияния ударно сжатого гам впереди точки контакта на тепловую ситуацию в ОШЗ

Рис. 5. Измерение температуры на условной границе сваренного взрывом соединения методом локальных естественных термопар:

1 - детонатор, 2 - заряд ВВ, 3 -метаемая медная пластина, 4 - медная фольга, 5 - неподвижная стальная основа, 6 - изолятор, 7 - медный термоэлектрод, 5 - константановый термоэлектрод

конструкция константанового датчика была изменена. Предварительно сваркой взрывом на него был нанесен слой меди толщиной 3 мм (рис. 6), удаляя часть которого можно варьировать его толщину от 0 до Змм. Таким образом появилась возможность проводить температурные измерения в сечениях, отстоящих от границы соединения на заданном расстоянии.

Рис. 6. Схема изготовления покрытых медью константановых датчиков (во врезке медно-константановый датчик после сварки) :

1 - прослойка меди, 2 - константановый стержень

Третья глава посвящена исследованию тепловых процессов в ОШЗ при СВ обусловленных действием различных источников тепла.

Оценка нагрева металла за счет пластической деформации, обусловленной косым соударением пластин была проведена по методике с использованием калориметров таблеточного типа.

Типичные осциллограммы термо-ЭДС, зафиксированные калориметрами показаны на рис. 7. Поскольку максимальные термо-ЭДС в опытах фиксировались заведомо позже завершения всех ударно-волновых процессов в сваренном

пакете (спустя время порядка мс), то для расшифровки температуры использовались стандартные тарировочные графики при нормальных условиях.

Измеренные остаточные температуры позволили перейти к значениям тепловыделения в них. Далее исследовался характер пластического течения металла и рассчитывался коэффициент пропорциональности эпюр пластической деформации и распределения тепла, что позволило перейти к начальному (на момент окончания деформационных процессов) распределению температур (рис. 8).

Расчет выравнивания полученных температурных полей дал значения средних температур вставок (Га) 168 и 154 °С, что хорошо согласуется с экспериментально зафиксированными 175 и 164°С.

с) 6)

Рис. 8. Рассчитанные температурные поли в неподвижной пластине и динамика их выравнивания для различных режимов: к) - начальный момент времени, Ц - 80мкс, ¡2 - 180мкс, г3 - 270мкс, и - бООмкс,

Таким образом, факт пропорциональности выделяющегося в ОШЗ тепла эпюрам остаточной пластической деформации можно считать доказанным. Применимость же данной методики для построения начальных температурных полей сварки взрывом ограничивается лишь точностью измерения пластиче-

а) в)

Рис. 7. Термограммы таблеточных калориметров (термо-ЭДС)

ских деформаций в исследуемых материалах, а также отсутствием оплавов и развитого волнообразования на границе соединения.

50 100 150 200 250 I, мс 10 20 30 40 50 I мс

а) 6)

Рис. 9. Термический цикл тыльной стороны стальных (а) и медных (б) пластин: <51=15, <52=10, дз =2, ¿4=1 мм Оценка нагрева метаемого элемента продуктами детонации ВВ (ПД ВВ) была сделана численным путем на основе простой явной схемы с граничными условиями 2-го рода (теплоизолированная поверхность соударения и тепловой поток ц на внешней поверхности контактирующей с ПД ВВ), что допустимо при характерных временах СВ порядка мкс. По данным В.И. Лысака с/ составляет 0,2-0,7 МДж/м2 для различных зарядов ВВ (в расчетах принималось <7 = 0,5 МДж/м2).

На рис. 9 показаны рассчитанные термические циклы тыльной стороны при различных значениях толщин стальных и медных метаемых пластин. Как видно, максимальные температуры и время их достижения сильно зависит от толщины и теплофизических свойств материала метаемой пластины, и при толщинах порядка 1 мм для хорошо

проводящих материалов, например, меди, время достижения максимальных температур сравнимо с характерными временами выравнивания температуры при сварке взрывом, в течение которых возможно влияние теплового потока от воздействия ПД ВВ на образование соединения. Причем, это влияние может быть двояким (см. рис. 10).

Тепловой поток от ПД ВВ, помимо того, что несколько увеличивает максимальную температуру на границе соединения неподвижной и метаемой пластины, способствует также уменьшению градиента температур в последней. Это

0,2 0,4 0,6 0,8 1 Рис. 10. Составляющие температурного поля реализуемого в метаемой медной пласпше толщиной 1 мм:

I - температура обусловленная тепловым воздействием ПД ВВ; 2 - температура обусловленная пластической деформацией пластины; 3 -суммарное температурное поле

приводит к стеснению теплового потока и замедлению процессов выравнивания температурного поля, что уменьшает скорость охлаждения границы контакта. В случае, если свариваются материалы с резко отличающимися температурами плавления, например, медь с алюминием, такая прибавка к температурам, реализуемым в меди, способна приводить к интенсивному оплавлению прилегающих слов алюминия в неподвижной пластине за счет дополнительного притока тепла со стороны медной пластины (что часто наблюдается на практике).

Таким образом, влияние нагрева метаемой пластины ПД ВВ при сварке тонких пластин (фольг) может оказывать существенное влияние на тепловые условия образования соединения и должно быть учтено при назначении параметров режима СВ.

Для оценки эффекта предварительного подогрева соударяемых пластин потоком ударно-сжатого газа применялась методика локального калориметри-

рования локальных объемов металла, размещенных в неподвижной пластине на различном расстоянии от начала процесса сварки.

Разница £>т = (см.

рис. 4) для двух различных сечений, отстоящих друг от друга на расстоянии 60 мм в начале и в конце сварки и предположительно обусловленная тепловым воздействием ударно-сжатого газа, при сварке на всех режимах оказалась равной 0,12 МДж/м2, что составляет примерно 8% от общего количества тепла, заключенного в дальней от начала сварки вставке. Очевидно, с увеличением размеров неподвижной пластины, эта разница будет возрастать, а саму прибавку к внесенному в 01113 теплу необходимо учитывать даже при сварке относительно коротких пластин.

Для выяснения характера распределения теплоты по сечению соударяемых пластин от воздействия теплового потока от ударно-сжатого газа применялась термопарная методика с использованием медно-константановых датчиков,

¡»л«. -ВЪ .Зсо.еГС

Г»

Рис. 11. Зависимость термо-ЭДС от времени на расстоянии 0,3 0,5,0,7 и 1 мм от границы контакта

т° С

200 150 100 70

3 =0,3 л, * -п <; [М

- .5=0, 7мм

— 5 = 1мм

мке

25 30

Рис. 12. Термические циклы сечений ОШЗ на расстоянии д =0,3; 0,5; 0,7; 1мм от условной границы соединения

т°с

400 300

200 100

0,3 0,5 ' 0,5 0,7 1

Рис. 13. Градиент температур в сечении ОШЗ 0,3-0,1 мм:

А)=0, /|=12 мке, ¿2=20 мке, /з=25 мке, /4=30 мке

предварительно изготовленных сваркой взрывом (см. рис. 6). Толщина медного слоя варьировалась от 0,3 до 1 мм.

Типичные осциллограммы термо-ЭДС показаны на рис. 11, термические циклы, соответствующие им - на рис. 12, из которого видно что термо-ЭДС сечений, отстоящих на расстоянии 0,3-1 мм от границы соединения имеют экстремум, который уменьшается и смещается во времени по мере увеличения толщины медного слоя. Момент времени 30 мке соответствует приходу точки контакта к датчику. Градиенты температур в исследуемых сечениях показаны на рис. 13.

Полученные результаты показывают, что металл ОШЗ может прогреваться в зависимости от его теплофизических свойств на существенную глубину, еще до прихода точки контакта, что не может не сказаться на общей тепловой ситуации и условиях образования соединения. Помимо этого наличие экстремума термических циклов в исследуемых сечениях свидетельствует о немонотонном влиянии на них потока ударно-сжатого газа имеющего, предположительно, характер передвигающейся с некоторой скоростью области.

Четвертая глава посвящена практической реализации результатов исследования. В ней описано специализированное программное обеспечение (ПО), созданное в ходе выполнения исследований:

- ПО расчета параметров взаимодействия разнородных металлов и сплавов при импульсном нагружении, позволяющее выполнять задачи проектирования технологических режимов сварки взрывом композиционных материалов по заданным физико-механическим свойствам свариваемых материалов, технологическим параметрам взрывчатых веществ, расчета динамических и энергетических параметров сварки взрывом по заданным технологическим (рис. 14);

- ПО для моделирования тепловых процессов, позволяющее строить температурные поля сварки взрывом на основе известных термических циклов сечений ОШЗ и на основе сопоставления тепла выделяемого в локальном объеме с реализуемыми в нем остаточными пластическими деформациями (рис. 15), а также рассчитывать изменение полученных температурных полей с течением времени в любом сечении (рис. 16).

Рис. 14. Функциональные экраны программного обеспечении расчета параметров взаимодействия разнородных металлов и сплавов при импульсном нагруженни (сварка взрывом)

Рис. 15. Модуль построения температурных полей на оа

пластической деформации

Рис. 16. Модуль расчета выравнивания одно-, двух- и трехмерных температурных полей

010002013102010001090201000001023101000201000201000201101002

На основании обобщения и анализа результатов проведенных исследований с применением разработанного ПО усовершенствован технологический процесс изготовления СВ медно-алюминиевых заготовок для ОАО "ВГАЗ-СУАЛ-Ремонт"с целью минимизации структурной и химической неоднородности на границе соединения.

Рис. 17. Микроструктура зоны соединения Си+А1:

а - Кк=2600м/с, Кс=350 м/с б- 1600м/с, Кс=200 м/с Анализ начального распределения температур в композите на основе эпюр остаточной сдвиговой деформации показал необходимость смягчения теплового режима сварки, поскольку появление оплавов связано, прежде всего, с тем теплом, которое выделяется в медном слое в результате пластической деформации (рис. 17, а). Смягчение режима СВ проводилось путем одновременного снижения Кк и К0 с 2600 и 350м/с до 1600 и 200 м/с соответственно, что привело к более равномерному распределению сдвиговых деформаций и к уменьшению ширины зоны продеформированного металла и формированию прямолинейного безволнового соединения. Анализ термических циклов слоев алюминия прилегающих к границе соединения показал, что выделяющегося тепла уже не хватает для его расплавления, что подтверждается микроструктурами (см. рис. 17, б).

В рамках выполнения госконтракта № 02.52.312.3021 с ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей" разработаны технологические процессы изготовления СВ медно-

а) б)

Рис. 18. Микроструктуры гоны соединения А1+Си(Ф) (х200):

а - без термобарьера, 6 - с термобарьером

алюминиевых композитов с наноструктурированной медной фольгой, включающие в себя применение стальной фалыц-пластины, накладываемой на метаемую медную фольгу, с целью исключения теплового влияния продуктов детонации ВВ. Использование термобарьера позволило исключить дополнительный приток тепла в зону соединения и получить бездефектное соединение без оплавов (рис. 18, б).

ВЫВОДЫ

1. Разработаны новые расчетно-экспериментальные методики исследования тепловых процессов, протекающих при сварке металлов взрывом, с применением естественных и локальных термопар, позволяющие строить температурные поля и термические циклы СВ в любом сечении ОШЗ композита.

2. С использованием разработанных методик показано и экспериментально подтверждено, что тепло, выделяющееся в ОШЗ при сварке взрывом за счет сдвиговой пластической деформации gmx, распределяется по толщине металла пропорционально эпюрам gm¡ÍKb>). В связи с этим тепловую ситуацию в ОШЗ, обусловленную деформационными процессами, можно связать с действием мгновенного распределенного источника тепла переменной мощности ч(у)=к-8„,«()>), что позволяет достоверно строить температурные поля в ОШЗ и термические циклы сварки.

3. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что в процессе метания тонких пластин (фольг) тепло, выделяющееся при детонации ВВ может существенно влиять на тепловой баланс ОШЗ и условия образования соединения, повышая температуру границы соединения и уменьшая градиент температур в последней, приводя к снижению скоростей охлаждения, что в случае сварки материалов с резко отличающимися температурами плавления, дает прибавку к температурам, реализуемым в метаемой пластине, и обуславливает оплавление прилегающих слов в неподвижной пластине за счет дополнительного притока тепла со стороны метаемой. Максимально этот эффект проявляется при метании тонколистовых материалов (фольг) с высокой теплопроводностью.

4. Экспериментально установлено, что поверхностные слои свариваемых элементов, находящиеся перед точкой контакта, нагреваются на значительную глубину, причем в зависимости от теплофизических свойств и удаленности сечения ОШЗ от свободной поверхности последние могут претерпевать как стадии нагрева, так и охлаждения, вплоть до прихода точки контакта к исследуемому сечению. Это свидетельствует о том, что влияние ударно-сжатого газа впереди точки контакта на тепловую ситуацию в ОШЗ носит немонотонный характер.

5. Разработано специализированное программное обеспечение для моделирования тепловых процессов, позволяющее строить температурные поля сварки взрывом на основе известных термических циклов сечений ОШЗ и на

основе сопоставления тепла выделяемого в локальном объеме с реализуемыми в нем остаточными пластическими деформациями, пакет прикладных программ (ППП) для расчета параметров взаимодействия разнородных металлов и сплавов в условиях сварки взрывом позволяющий достоверно рассчитывать режимы СВ.

6. Полученные результаты послужили основой для разработки технологических процессов изготовления СВ медно-алюминиевых композитов с на-ноструктурированной медной фольгой в рамках выполнения госконтракта Ks 02.52.312.3021 с ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей" и усовершенствования технологии СВ медно-алюминиевых заготовок для ОАО "ВГАЗ-СУАЛ-Ремонт", экономический эффект от внедрения которой достигнут за счет более высоких эксплуатационных свойств соединений, применяемых в контактных узлах, и составил около 3,6 млн. руб (доля автора 20%).

Основные положения диссертационного исследования опубликованы в работах:

Журнальные статьи из списка ВАК:

1. Принципы расчёта режимов сварки взрывом металлических слоистых композитов / C.B. Кузьмин, В.И. Лысак, C.B. Хаустов, Т.Ш. Сильченко // Автоматическая сварка. - 2007. - № 10. - С. 16-22.

2. Расчётно-экспериментальное определение температурных полей в зоне соединения при сварке взрывом / C.B. Хаустов, C.B. Кузьмин, В.И. Лысак, Е.А. Федянов // Физика и химия обработки материалов. - 2007. - №4, - С. 46-51.

3. Методика определения температурных полей в околошовной зоне при сварке взрывом / C.B. Хаустов, C.B. Кузьмин, В.И. Лысак, Е.А. Федянов // Физика и химия обработки материалов. - 2009. - № 2. - С. 72-75.

4. Расчет температурных полей при сварке взрывом / А.П. Пеев, C.B. Кузьмин, В.И. Лысак, C.B. Хаустов // Изв. ВолгГТУ. сер. Сварка взрывом и свойства сварных соединений: Межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2004. -Вып.1, №6. - С. 89-94.

5. Расчётно-экспериментальное определение температурных полей в зоне соединения при сварке взрывом / C.B. Хаустов, C.B. Кузьмин, В.И. Лысак, Е.А. Федянов // Известия ВолгГТУ. Серия "Сварка взрывом и свойства сварных соединений": межвуз. сб. науч. ст, / ВолгГТУ. - Волгоград, 2006. - Вып.2, №9. - С. 35-42.

6. Расчётно-экспериментальная методика определения температурных полей в околошовной зоне при сварке взрывом / C.B. Хаустов, C.B. Кузьмин, В.И. Лысак, Е.А. Федянов // Изв. ВолгГТУ. Серия «Сварка взрывом и свойства сварных соединений»: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2008. - Вып. 3, № 3. - С. 50-56.

7. Исследование тепловых процессов при сварке взрывом / C.B. Хаустов, В.И. Лысак, C.B. Кузьмин, Ван Тхы Нгуен // Изв. ВолгГТУ. Серия "Сварка взрывом и свойства сварных соединений". Вып. 4 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. -№5.- С. 18-27.

8. Principles of calculation of parameters for explosion welding of layered metal composites / C.B. Кузьмин, В.И. Лысак, C.B. Хаустов, Т.Ш. Сильченко // The Paton Welding Journal. - 2007. - No. 10. - С. 12-17,- Англ.

Остальные публикации:

9. Математическое моделирование тепловых процессов при сварке металлов взрывом У А.П. Леев, С.В. Кузьмин, В.И. Лысак, С.В. Хаустов // Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ) - 2004: Сб. науч. тр. Междунар. науч. конф., Волгоград, 20-23.09.04 / ВолгГТУ и др. - Волгоград, 2004. - Т.Н. - С. 173-174.

10. Моделирование тепловых процессов при сварке металлов взрывом / А.П. Пеев, С.В. Кузьмин, В.И. Лысак, С.В. Хаустов // Сварка и контроль - 2004: Сб. докл. Всерос. с междунар. уч. и.-т. конф., поев. 150-летию Н.Г.Славянова,17-20.05.04. Т.1: Н.Г.Славянов. Подгот. кадров. Аттестация. Спецметоды сварки / Перм. гос. техн. ун-т и др. - Пермь, 2004. - С. 81-85.

11. Моделирование тепловых процессов в околошовной зоне соединений при сварке взрывом = Thermal processes modelling in the heat-affected joining zone in explosion welding / C.B. Хаустов, C.B. Кузьмин, В.И. Лысак, А.П. Пеев // Забабахинские научные чтения: тез. докл. междунар. конф., 10-14 сент. 2007 г. (парал.: англ., рус.) / РФЯЦ-ВНИИТФ. - Снежинск, 2007. - С. 233.

12. Оценка тепловой ситуации в зоне соединения при сварке взрывом крупногабаритных металлических заготовок / Т.Ш. Сильченко, С.В. Кузьмин, В.И. Лысак, С.В. Хаустов, А.А. Эрентраут // Новые перспективные материалы и технологии их получения. НПМ-2007: сб. науч. тр. междунар. конф., Волгоград 9-12 окт. 2007 г. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2007. - С. 202-204.

13. Explosive welding of dissimilar metals: temperature-deformation relationship /

A.П. Пеев, C.B. Кузьмин, В.И. Лысак, C.B. Хаустов // Shock-Assisted Materials Synthesis and Processing: Science, Innovations, and Industrial Implementation: [no матер. IX междунар. симпозиума EPNM-2008, проходившего 6-9 мая 2008 года в г. Lisse (Нидерланды)].- М., 2008,- С. 96,- Англ.

14. Хаустов, С.В. Расчётно-экспериментальное определение температурных полей в околошовной зоне при сварке взрывом / С.В. Хаустов, С.В. Кузьмин,

B.И. Лысак // Новые материалы и технологии (НМТ-2008) : матер, всерос. науч.-техн. конф., Москва, 11-12 нояб. 2008 г. В 3 т. Т. 1 / "МАТИ" - Рос. гос. технол. ун-т им. К.Э. Циолковского. - М., 2008. - С. 51-52.

15. Хаустов, С.В. Расчётно-экспериментальное определение температурных полей в околошовной зоне при сварке взрывом / С.В. Хаустов, С.В. Кузьмин, В.И. Лысак // Деформация и разрушение материалов и наноматериалов. DFMNT2009 : сб. матер, третьей междунар. конф., г. Москва, 12-15 окт. 2009 г. В 2 т. Т. 2 / Ин-т металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Ги др 1 -М., 2009,- С. 269.

16. Хаустов, С.В. Исследование тепловых процессов при сварке взрывом одно- и разнородных материалов / С.В. Хаустов, В.И. Лысак, С.В. Кузьмин // Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ-2010): сб. науч. тр. V междунар. конф., Волгоград, 14-16 сент. 2010 г. / ВолгГТУ [и др ] -Волгоград, 2010. - С. 214-215.

17. Моделирование тепловых процессов в околошовной зоне соединений при сварке взрывом / C.B. Хаустов, В.И. Лысак, C.B. Кузьмин, А.П. Пеев И Оборудование, технологии и аналит. системы для материаловед., микро- и наноэлектроники (Саратов, 18-19.06.2007): тр. V Рос.-Япон. семинара МИСиС -Interactive Corp. - СГУ / МИСиС (техн. ун-т), СГУ им. Н.Г.Чернышевского. -М., 2007. - Т.Н. - С. 1051-1055.

18. Хаустов, C.B. Компьютерная модель расчета тепловых полей при сварке взрывом / C.B. Хаустов, А.П. Пеев // IX Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, Волгоград, 9-12 ноября 2004 г.: тез. докл. / ВолгГТУ и др. - Волгоград, 2005. - С. 147-148.

19. Хаустов, C.B. Программа расчета тепловых процессов при сварке металлов взрывом / C.B. Хаустов, А.П. Пеев // IX Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, Волгоград, 9-12 ноября 2004 г.: тез. докл. / ВолгГТУ и др. - Волгоград, 2005. - С. 156-157.

20. Хаустов, C.B. Расчетно-экспериментальная методика определения температурного режима сварки взрывом / C.B. Хаустов, А.П. Пеев // Тез. докл. юбилейного смотра - конкурса науч., конструкторских и технол. работ студентов ВолгГТУ, Волгоград, 11-13.05.05 / ВолгГТУ, Совет СНТО. -Волгоград, 2005. - С. 60.

21. Хаустов, C.B. Расчётно-экспериментальная методика определения температурных полей в ОШЗ соединения при сварке взрывом / C.B. Хаустов, C.B. Кузьмин, В.И. Лысак // XI Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г.Волгоград, 8-10 ноября 2006 г.: тез. докл. / ВолгГТУ и др. - Волгоград, 2007. - С. 145-146.

22. Хаустов, C.B. Расчётно-экспериментальное определение температурных полей в околошовной зоне при сварке взрывом / C.B. Хаустов, C.B. Кузьмин, В.И. Лысак // XIII региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г.Волгоград, 11-14 нояб. 2008 г.: тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2009. - С. 148-149.

23. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007613261 "Программа моделирования тепловых процессов в условиях сварки взрывом" Авторы: C.B. Хаустов, C.B. Кузьмин, В.И. Лысак, А.П. Пеев

24. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009616788 "Программное обеспечение расчета параметров взаимодействия разнородных металлов и сплавов при импульсном нагружении (сварка взрывом)" Авторы: C.B. Хаустов, C.B. Кузьмин, В.И. Лысак.

Личный вклад автора в опубликованные работы. В представленных работах автором лично разработаны и экспериментально апробированы методики исследования температурных условий образования сваренных взрывом композитов [4, 9..11, 13, 14, 17..22], проанализированы и обобщены результаты проведенных исследований [2, 3, 5..7, 12, 15, 16], по результатам исследования разработаны программные средства [1, 8,23,24].

Подписано в печать 19.10.2011 г. Заказ № 662. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0 Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета 400005, г. Волгоград, просп. им. В.И. Ленина, 28, корп. №7.

Введение.

Глава 1. Влияние тепловых процессов на образование и формирование соединения при сварке взрывом.

1.1 Основные схемы и параметры сварки металлов взрывом.

1.2 Роль тепловых процессов в образовании соединения и их влияние на свойства сваренных взрывом композитов.

1.3 Основные источники тепла при сварке взрывом, методы их исследования и математические модели описывающие тепловые процессы.

1.4 Цель и задачи исследования.

Глава 2. Разработка экспериментальных методов исследования тепловых процессов в условиях сварки взрывом.

2.1 Экспериментальные и расчетные методы определения кинематических и энергетических параметров сварки взрывом.

2.2 Расчетно-экспериментальные методы оценки температурного режима сварки и получения начальных температурных полей

2.2.1 Термопарные методы измерения температур.

2.2.2 Построение температурных полей сварки взрывом с использованием локальных термопар (по известным термическим циклам).

2.2.3 Метод калориметрирования локального объема металла.

2.2.4 Метод локальных естественных термопар для исследования тепловых процессов при сварке взрывом.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Исследование тепловых процессов при сварке взрывом.

3.1 Разработка модели тепловых процессов выравнивания температурного поля в ОШЗ свариваемых взрывом композитов.

3.2 Пластические деформации в ОШЗ при сварке взрывом и определение начальных температурных полей.

3.2.1 Определение температурных полей сварки взрывом по известным термическим циклам сечений ОШЗ.

3.2.2 Определение температурных полей сварки взрывом на основе эпюр остаточной пластической деформации.

3.3 Нагрев метаемого элемента продуктами детонации ВВ и его влияние на общую тепловую ситуацию в ОШЗ.

3.4 Оценка теплового воздействия ударно-сжатого газа впереди точки контакта.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Практическая реализация результатов исследования.

4.1 Разработка программного обеспечения (ПО) расчета параметров взаимодействия разнородных металлов и сплавов при импульсном нагружении.

4.2 Разработка пакета прикладных программ (ППП) для расчета тепловых процессов в условиях сварки взрывом.

4.3 Усовершенствование технологических процессов изготовления сваркой взрывом медно-алюминиевых соединений для ОАО В ГАЗ-СУА Л-Рем о нт".

4.4. Разработка технологических процессов изготовления сваркой взрывом медных фольг с алюминием для ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей".

Выводы к главе 4.

Сварка взрывом (СВ), обладая рядом специфических особенностей (сверхбольшими давлениями, реализуемыми в зоне соударения, высокой скоростью процесса и, как следствие, производительностью, возможностью получать соединения без расплавов), используется наряду с другими технологическими способами для создания широкого спектра композиционных материалов.

Являясь высокопроизводительным способом изготовления композиционных материалов, СВ позволяет получать соединения практически любых разнородных материалов с прочностью на уровне свойств основных металлов. Это обусловлено возможностью целенаправленно избегать и исключать из технологического процесса стадии высокотемпературного нагрева для материалов, обладающими неблагоприятными типами металлургического воздействия. Однако резкое различие в физико-механических и теплофизических свойствах свариваемых с помощью СВ биметаллов определяет сложный характер протекания тепловых процессов, влияние которых на образование и свойства сваренного взрывом соединения играет определяющую роль. Существующие представления позволяют выделить три основных источника тепла в порядке увеличения их вклада в общий баланс тепла.

1) Нагрев метаемой пластины продуктами детонации взрывчатого вещества (ПД ВВ). Различные исследователи (Лысак В.И., Пай В.В., Трофимов В.Г., МсОееп дают оценку 1-7% от общего количества тепла в ОШЗ, при этом исследователи связывают действие этого источника лишь с увеличением среднего значения энергии, аккумулированной в метаемой пластине, и полагают незначительным его влияние на процессы, протекающие на границе соединения. Однако это влияние может быть достаточно существенным при сварке относительно тонких пластин (фольг) с высокими теплопроводящими свойствами.

2) Нагрев поверхностей пластин потоком ударно сжатого газа впереди точки контаю-а. Исследованиями этого вопроса занимались Ишут ; ■ ■ II1- 1 1 И I ■! ' I ' , I/,,, ' , I !' ,(',11 к кин С.Н., Кирко В.И., Симонов В.А., Конон Ю.А., Кудинов В.М., Коротеев А.Я., Захаренко И.Д., Первухин Л.Б. и др. Оценка вклада этого источника колеблется от 2 до 6%, а его влияние исследователями полагается значительным и доказанным лишь при сварке протяженных (крупногабаритных) листов биметалла.

3) Нагрев металла за счет пластической деформации, обусловленной косым соударением пластин. Общепризнанным по мнению авторов (Седых B.C., Кузьмин C.B., Трыков Ю.П., Шморгун В.Г., Сонное А.П., Кривенцов А.Н., Пеев А.П. и др.) является определяющий вклад этого источника тепла (87-97%) в общий баланс энергии, выделяемой в сваренном пакете. Процесс описывался различными математическими моделями: с использованием мгновенных источников тепла, источников конечной ширины, распределенных источников, в том числе, источников, пропорциональных эпюрам остаточной пластической деформации ОШЗ. Однако экспериментального подтверждения и адекватной математической модели протекания тепловых процессов от действия такого источника до сих пор нет.

Таким образом, несмотря на обширные и подробные изыскания, единой и общепризнанной математической модели, описывающей тепловые процессы при СВ не создано, а имеющиеся модели носят частный и несистемный характер и не имеют под собой общей базы, поэтому полное решение тепловой задачи при СВ остается актуальным и позволило бы уже на стадии технологического проектирования целенаправленно управлять параметрами режима сварки, обеспечивая благоприятную тепловую ситуацию в ОШЗ.

Целью настоящего диссертационного исследования явилось создание научно обоснованных подходов целенаправленного управления тепловыми процессами в ОШЗ соединений при сварке взрывом. I ь r ( , ( ., ^ 5

Научная новизна состоит в выявлении закономерностей протекания тепловых процессов в околошовной зоне композитов при сварке взрывом.

Разработаны новые расчетно-экспериментальные методы исследования тепловых процессов, протекающих при сварке металлов взрывом, основанные на применении естественных и локальных термопар и позволяющие достоверно строить температурные поля в ОШЗ и термические циклы сварки.

Показано и экспериментально подтверждено, что тепло, выделяющееся в ОШЗ при сварке взрывом за счет сдвиговой пластической деформации дтах, распределяется по толщине металла пропорционально эпюрам дтах(у). В связи с этим тепловую ситуацию в ОШЗ, обусловленную деформационными процессами, можно связать с действием мгновенного распределенного источника тепла переменной мощности Я(у)=к-дтах(у).

Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что в тепловом балансе ОШЗ необходимо учитывать тепло, выделяющееся при детонации ВВ, за счет которого температура контактирующих слоев металла может повышаться (при одновременном уменьшении ее градиента), приводя к оплавлению последних. Максимально этот эффект проявляется при метании тонколистовых материалов (фольг) с высокой теплопроводностью.

На защиту выносятся:

- разработанные расчетно-экспериментальные методики исследования тепловых процессов, протекающих при сварке металлов взрывом, позволяющие достоверно строить температурные поля в ОШЗ и термические циклы сварки;

- результаты экспериментального исследования тепловых процессов в сечении ОШЗ обусловленных нагревом металла за счет косого соударения пластин и их пластической деформации;

- результаты оценки нагрева метаемого элемента продуктами детонации ВВ и влияния последних на тепловую ситуацию на границе соеди6 нения при сварке тонких пластин (фольг) с высокими теплопроводящими свойствами;

- результаты экспериментального исследования эффекта предварительного подогрева от воздействия ударно-сжатого газа впереди точки контакта;

- специализированное программное обеспечение для моделирования тепловых процессов и расчета параметров взаимодействия разнородных металлов и сплавов при СВ;

- разработанные на основе проведенных исследований технологические процессы изготовления сваркой взрывом медно-алюминиевых заготовок с минимальной структурной и химической неоднородностей на границе соединения.

Работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературных источников и приложения, содержит 141 страниц машинописного текста, 73 рисунка, 5 таблиц.

В первой главе проанализированы основные схемы и параметры сварки взрывом, а также роль тепловых процессов в образовании соединения и их влияние на свойства сваренных взрывом композитов.

Показано, что несмотря на обширные и подробные исследования в этой области, на настоящий момент единой точки зрения и подхода в изучении тепловых процессов в условиях СВ не существует, а всевозможные упрощения и допущения при решении тепловой задачи в условиях СВ дают лишь качественную картину, справедливую в определенных сечениях и на ограниченных отрезках времени, и не позволяют рассматривать тепловые процессы в динамике, которая и определяет условия формирования сварного соединения и его свойства.

На основании этого сформулирована цель диссертационного исследования и определены необходимые задачи для ее достижения.

Во второй главе описаны разработанные оригинальные расчетно-экспериментальные методики:

- расчета распределения температур по сечению сваренных взрывом материалов на основе сопоставления эпюр реализуемых остаточ

V.-. . '. ■ , , /. .■■>' : ' , ■ ■ 7

4 < . '".у1,; .',. . ., ■•]>•'■ : ■ ■, ■ " г ■ . > . 1 \

1 и И , •< ' ' ' у, . . • 1 ,, \ • ных пластических деформаций и выделившегося в ОШЗ тепла, а также на основе известных термических циклов сечений ОШЗ, вовлеченных в пластическую деформацию;

- оценки влияния ударно сжатого газа и процессов, протекающих в сварочном зазоре впереди точки контакта на тепловую ситуацию в ОШЗ и определения термических циклов любого сечения ОШЗ с использованием медно-константановых датчиков специальной конструкции.

Третья глава посвящена исследованию тепловых процессов, обусловленных действием различных источников тепла и изучению их особенностей.

С использованием разработанной методики доказан факт пропорциональности выделяющегося тепла эпюрам остаточной пластической деформации и получены достоверные начальные (на момент окончания деформационных процессов) распределения температур в сечении ОШЗ. Численный расчет выравнивания полученных температурных полей позволяет определять термические циклы в любом сечении композита, и, соответственно, температуры, до которых он нагревается, скорости охлаждения и нагрева, а также время пребывания в определенном диапазоне температур. ( »„ ,

Расчетным путем сделана оценка нагрева метаемого элемента продуктами детонации ВВ. Установлено, что при сварке тонких метаемых пластин с высокими теплопроводящими свойствами тепловой поток от ПД ВВ, помимо того, что несколько увеличивает максимальную температуру на границе соединения неподвижной и метаемой пластины, способствует также уменьшению градиента температур в последней. Это приводит к стеснению теплового потока и замедлению процессов выравнивания температурного поля, что уменьшает скорость охлаждения границы контакта. В случае, если свариваются материалы с резко отличающимися температурами плавления, например, медь (метаемая пластина) с алюминием, такая прибавка к температурам, реализуемым в меди, способна приводить к интенсивному оплавлению прилегающих слов в1'Л ' . ' * 8 алюминия за счет дополнительного притока тепла со стороны медной пластины.

Впервые показано, что тепловое влияние потока ударно-сжатого газа впереди точки контакта может быть значительным (разница в полученном тепле для двух сечений, расположенных в начале и в конце сварки, и предположительно обусловленная тепловым воздействием ударно-сжатого газа, составила не менее 8% от общего количества тепла, заключенного в дальнем от начала сварки сечении) даже при сварке относительно коротких пластин.

Экспериментально выявлен характер распределения теплоты по сечению соударяемых пластин от воздействия теплового потока из ударно-сжатого газа за время его воздействия (порядка десятков мкс). Полученные результаты показывают, что металл может прогреваться в зависимости от его теплофизических свойств на существенную глубину (0,3-1 мм), что необходимо учитывать при рассмотрении общей тепловой ситуации и условий образования соединения.

Четвертая глава посвящена практической реализации результатов исследования. В ней описано специализированное программное обеспечение (ПО), созданное по результатам проведенных исследований^ , д

- ПО расчета параметров взаимодействия разнородных металлов и сплавов при импульсном нагружении, позволяющее выполнять следующие задачи: проектирование технологических режимов сварки взрывом композиционных материалов по заданным физико-механическим свойствам свариваемых материалов, технологическим параметрам взрывчатых веществ, расчет динамических и энергетических параметров сварки взрывом по заданным технологическим;

- ПО для моделирования тепловых процессов, позволяющее строить температурные поля сварки взрывом с использованием известных термических циклов сечений ОШЗ и на основе сопоставления тепла, выделяемого в локальном объеме, с реализуемыми в нем остаточными пластическими деформациями, а также рассчитывать выравнивание полученных температурных полей с течением времени в любом сечении. 1 9

Ль

На основании обобщения и анализа результатов проведенных исследований с применением ПО разработаны технологические процессы изготовления СВ медно-алюминиевых заготовок для ОАО "ВГАЗ-СУАЛ-Ремонт" с целью минимизации структурной и химической неоднородно-стей на границе соединения.

В рамках выполнения госконтракта № 02.52.312.3021 с ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей" разработаны технологические процессы изготовления СВ медно-алюминиевых композитов с наноструктурированной медной фольгой, включающие в себя применение стальной фальш-пластины, накладываемой на метаемую медную фольгу, с целью исключения теплового влияния продуктов детонации ВВ.

Диссертационную работу завершают основные выводы. Список используемой литературы включает 117 наименований. В приложении к работе приведены акты внедрения, подтверждающие практическую ценность и актуальность данного исследования.

Работа выполнена на кафедре «Оборудование и технология сварочного производства» Волгоградского государственного технического университета.

В заключение автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, д.т.н, проф., Заслуженному деятелю науки РФ В.И. Лысаку, определившему основную идею и направление работы, д.т.н, проф. C.B. Кузьмину за ценные советы и замечания по материалам диссертации, а также за неоценимую помощь в создании программных средств в составе расчетно-экспериментальных методик, с.н.с. Ю.Г. Долгому за постоянную помощь при планировании и обсуждении результатов экспериментов. г ' «1<11 ?•» v î t H/!h

S il

ПгН " ' '

Общие выводы

1. Разработаны новые расчетно-экспериментальные методики исследования тепловых процессов, протекающих при сварке металлов взрывом, с применением естественных и локальных термопар, позволяющие строить температурные поля в ОШЗ и термические циклы сварки.

2. С использованием разработанных методик показано и экспериментально подтверждено, что тепло, выделяющееся в ОШЗ при сварке взрывом за счет сдвиговой пластической деформации дтах, распределяется по толщине металла пропорционально эпюрам дтах(у). В связи с этим тепловую ситуацию в ОШЗ, обусловленную деформационными процессами, можно связать с действием мгновенного распределенного источника тепла переменной мощности я(у)=к-дтах(у), что позволяет строить температурные поля в ОШЗ и термические циклы сварки.

3. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что в процессе метания тонких пластин (фольг) тепло, выделяющееся при детонации ВВ может существенно влиять на тепловой баланс ОШЗ и условия образования соединения, повышая температуру границы соединения и уменьшая градиент температур в последней, приводя к снижению скоростей охлаждения, что в случае сварки материалов с резко отличающимися температурами плавления, дает прибавку к температурам, реализуемым в метаемой пластине, и приводит к оплавлению прилегающих слов в неподвижной пластине за счет дополнительного притока тепла со стороны метаемой. Максимально этот эффект проявляется при метании тонколистовых материалов (фольг) с высокой теплопроводностью.

4. Экспериментально установлено, что поверхностные слои свариваемых элементов, находящиеся перед точкой контакта, нагреваются на значительную глубину, причем в зависимости от теплофизиче-ских свойств и удаленности сечения ОШЗ от свободной поверхности последние могут претерпевать как стадии нагрева, так и охлаждения. I

128

- V

5. Разработано специализированное программное обеспечение для моделирования тепловых процессов, позволяющее строить температурные поля сварки взрывом на основе известных термических циклов сечений ОШЗ и на основе сопоставления тепла выделяемого в локальном объеме с реализуемыми в нем остаточными пластическими деформациями, пакет прикладных программ (ППП) для расчета параметров взаимодействия разнородных металлов и сплавов в условиях сварки взрывом позволяющий рассчитывать динамические и энергетические параметры процесса СВ по заданным технологическим.

6. Полученные результаты послужили основой для разработки технологических процессов изготовления СВ медно-алюминиевых композитов с наноструктурированной медной фольгой в рамках выполнения г/контракта № 02.52.312.3021 с ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей", для оптимизации режимов сварки взрывом медно-алюминиевых заготовок с целью минимизации структурной и химической неоднородностей на границе соединения (количества оплавов) для ОАО ВГАЗ. Экономический эффект достигнут за счет более высоких эксплуатационных свойств соединений, применяемых в контактных узлах, и составил около 3,3 млн. руб. (доля автора 20%).

1. Сварка в машиностроении Справочник, т. 1.— М.: Машиностроение. 1978, с.561.

2. Седых, В. С. Сварка взрывом как разновидность процесса соединения металлов в твердой фазе / В. С. Седых // Сварка взрывом и свойства сварных соединений: межвуз. сб. науч. трудов / ВолгПИ. Волгоград, 1974. - Вып. 1. - С. 3-24.

3. Каракозов, Э. С. Сварка металлов давлением / Э. С. Каракозов. М.: Машиностроение, 1986. -378 с.

4. Седых, В. С. Сварка взрывом и свойства сварных соединений / В. С. Седых, Н. Н. Казак. М.: Машиностроение, 1971. - 70 с.

5. Лысак, В. И. Сварка взрывом / В. И. Лысак, С. В. Кузьмин. М. : Машиностроение -1, 2005. - 544 с.

6. Grignon F., Benson D., Vecchio K.S., Meyers M.A. / Explosive welding of aluminum to aluminum:analysis, computations and experiments // International Journal of Impact Engineering 30, 2004. P. 1333-1351.

7. Akira Chiba, Minoru Nishida and Yasuhiro Morizono / Microstructure of Bonding Interface in Explosively-Welded Clads and Bonding Mechanism // Materials Science Forum Vols, 2004. P. 465-474.

8. Carpenter S. H., Wittman R. H. / EXPLOSION WELDING //Annu. Rev. Mater. Sci. 1975.5. P. 177-199.

9. Yan H.H. , Li X.J. / Strain rate distribution near welding interface for different collision angles in explosive welding // International Journal of Impact Engineering 35, 2008. P. 3-9

10. Hui Zhao, Pingcang Li, Yinggang Zhou, Zhanghong Huang, and Hunian Wang // Study on the Technology of Explosive Welding Incoloy800-SS304 / Journal of Materials Engineering and Performance // JMEPEG, 2010.13: 208-215.

11. Acarer M., Ulenc B. G, Findik F. / The influence of some factors on steel/steel bonding quality on there characteristics of explosive welding joints // JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE 39, 2004. P. 6457 - 6466.111v 11

12. Nishida M., Chiba A., Ando S., Imamura К., Minato H. / Microstructural Modifications in an Explosively Welded Ti/Ti Clad Material: II. Deformation Structures around Bonding Interface // METALLURGICAL TRANSACTIONS A, VOLUME 24A, 1993. P. 747 -750.

13. Samardzik I., Kozuh Z., Matesa B. // Structural analysis of three-metal explosion joint: zirconium-titanium-steel / Metalurgia 49, 2010. 2. R 119-122.

14. Blatter A., Peguiron D. A. / Explosive Joining of Precious Metals // Gold Bulletin 1998, 31(3). P. 93-98.

15. Cizek L., Ostroushko D., Szulc Z., Molak R., Prazmowski M. / Properties of sandwich metals joined by explosive cladding method // International Scientific Journal, Archives of Materials Science and Engineering, Volume 43, 2010.-P. 21-29.

16. Cheng Chemin, Tan Qingming / Mechanism of wave formation at the interface in explosive welding //ACTA MECHANICA SINICA, Vol.5, No.2, May, 1989.-P. 97-108.

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

18. Астров, Е. И. Плакирование многослойных металлов / Е. И. Астров. М.: Металлургия, 1965. - 70 с.

19. Babul, W. Materialy wybuchowe technologicznych procesach ob-robki tworzum / W. Babul, S. Ziemba. Warszawa, 1972. - 275 s.

20. Седых, В. С. Влияние исходной прочности материалов на характеристики зоны соединения при сварке взрывом / В. С. Седых, В. Я. Смелянский, А. П. Соннов // Физика и химия обработки материалов. -1982. №4. -С. 117-119.

21. Седых, В. С. Классификация, оценка и связь основных параметров сварки взрывом / В. С. Седых // Сварка взрывом и свойства сварных соединений: межвуз. сб. науч. тр. / ВолгПИ. Волгоград, 1985. -С. 3-30.1 »(I114I1.mil

22. Седых, В. С. Расчет энергетического баланса процесса сварки взрывом / В. С. Седых, А. П. Соннов // Физика и химия обработки материалов. 1970. - №2. - С. 6-13.

23. Лысак В. И. Разработка методов и средств проектирования технологических процессов сварки взрывом металлических слоистых композиционных материалов: дис. . д-ра техн. наук / В. И. Лысак; Волгой гос. тех. ун-т Волгоград, 1995. - 306 с.

24. Лысак, В. И. Определение критических границ процесса сварки взрывом / В. И. Лысак, В. С. Седых, Ю. П. Трыков // Сварочное производство. 1973. - №5. - С. 6-8.

25. Кривенцов, А. Н. О роли пластической деформации металла в зоне соединения при сварке взрывом / А. Н. Кривенцов, В. С. Седых // Физика и химия обработки материалов. 1969. - №1. - С. 132-141.

26. О механизме пластической деформации при сварке взрывом / А. Н. Кривенцов, В. С. Седых, И. П. Краснокутская и др. // Физика и химия обработки материалов. 1969. - №6. - С. 99-102.

27. Рыкалин Н. Н.( Шоршоров М. X., Красулин Ю. Л. Физические и химические проблемы соединения разнородных металлов — Неорганические материалы, т. I, 1965, № 1, с. 29—36.

28. Неоднородность сваренных взрывом соединений из углеродистых сталей и пути ее целенаправленного регулирования / Ю. П. Трыков,< I

29. А. Ф. Трудов, И. Б. Степанищев // Изв. вузов. Черная металлургия. -2002. №7. - С. 76-77.

30. Захаренко, И.Д. Сварка металлов взрывом / И.Д. Захаренко. -Минск: Навука \ тэхыка, 1990. -205 с.

31. Кобелев, А.Г. Слоистые металлические композиции / А.Г. Ко-белев, И.Н. Потапов, В.Н. Лебедев. М.: Металлургия, 1986. - 216 с.

32. Гуляев, А.П. Металловедение / А.П. Гуляев. М.: Металлургия, 1977-647 с.

33. Кузьмин, Г. Е. Экспериментально-аналитические методы в задачах динамического нагружения материалов / Г. Е. Кузьмин, В. В. Пай, И. В. Яковлев. Новосибирск: изд. СО РАН, 2002. - 312 с.

34. Об измерении поля температуры при плоском установившемся течении металла / С. Н. Ишуткин, Г. Е. Кузьмин, В. В. Пай, Л. Л. Фру1. V," лттЫ V1.»л:<