автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Закономерности формирования соединения при сварке взрывом с воздействием ультразвуковых колебаний

На правах рукописи

КУЗЬМИН Евгений Владимирович

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СОЕДИНЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ ВЗРЬЮОМ С ВОЗДЕЙСТВИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ

КОЛЕБАНИЙ

05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 ОКТ 2015

Волгоград - 2015

005563572

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

Научный руководитель член-корреспондент РАН,

доктор технических наук, профессор, ЛЫСАК Владимир Ильич.

Официальные оппоненты: ЯКОВЛЕВ Игорь Валентинович

доктор технических наук, профессор, Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, лаборатория динамических воздействий, заведующий;

ТРОФИМОВ Адольф Иванович

доктор технических наук, профессор, Обнинский институт атомной энергетики (НИЯУ МИФИ), кафедра «Автоматика, контроль и диагностика», заведующий.

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский государственный технический университет».

Защита состоится «26» ноября 2015 г. в 10ю на заседании диссертационного совета Д 212.28.02, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект Ленина, 28, зал заседаний ученого совета (ауд. 209).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета и на сайте vvww.vstu.ru по ссылке http://www.vstu.ru/nauka/dissertatsionnye-sovety/zaschita/kuzmm-evgeniy-vladimirovich.html.

Автореферат диссертации разослан «08» октября 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Зорин Илья Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Задача получения новых высококачественных материалов с заданными свойствами всегда относилась к числу главных приоритетов научно-технического прогресса. Перспективным направлением для ее решения является разработка и внедрение качественно новых технологий, в том числе, основанных на комбинированном воздействии нескольких видов энергии или совмещении различных способов ее подвода.

Сварка взрывом в силу присущих ей особенностей является одним из эффективных, а в ряде случаев единственно возможным путем создания высококачественных биметаллических композитов с различным сочетанием материалов и толщин. Высокоскоростное соударение тел при сварке взрывом сопровождается рядом уникальных эффектов: явлений волнообразования, интенсивной узколо-кализованной пластической деформации, кумуляции и схватыванием металлов. Вместе с тем, к негативным явлениям при сварке взрывом следует отнести образование в зоне соединения оплавленного металла и других неоднородностей, снижающих прочность и эксплуатационные свойства сваренного композита. Изучению этих вопросов посвящены работы А. А. Батаева, М. П. Бондарь, Б. А. Гринберг, А. А. Дерибаса, И. Д. Захаренко, А. Г. Кобелева, В. М. Кудинова, С. В. Кузьмина, В. И. Лысака, В. В. Пая, Л. Б. Первухина, В. В. Рыбина, В. С. Седыха, А. П. Соннова, Ю. П. Трьжова, В. Г. Шморгуна, И. В. Яковлева, J. Banker, В. Crossland, A. Nobili, R. Prummer и др., анализ которых показал, что образование оплавов в основном связано с процессами пластической сдвиговой деформации и тепловыделением в околошовной зоне.

Ультразвуковая обработка (УЗО) относится к числу наиболее эффективных способов воздействия на различные материалы, открывая перспективы, как в создании новых веществ, так и в придании известным материалам новых уникальных свойств. Не является исключением и сварочное производство, где применение ультразвука позволяет решать различные прикладные задачи. Исследованию процесса УЗО и воздействию ультразвуковых колебаний на сварные соединения посвящены работы С. С. Волкова, В. В. Клубовина, А. В. Кулемина, В. Л. Ланина, И. В. Петушко, Л. Л. Силина, А. И. Трофимова, В. Н. Хмелева, Ю. В. Холопова, М. Carbonia, F. Uzma, W. Wright и др.

Применение УЗО в процессе формирования соединения при дуговых способах сварки и сварке в твердой фазе позволяет повысить качество и работоспособность сварных швов, а также снимать остаточные напряжения после сварки.

При этом следует отметить, что хотя источники энергии, используемые для соединения материалов при сварке взрывом и УЗО, принципиально друг от

Автор выражает глубокую благодарность кандидату технических наук, доценту А.П. Пееву, доктору технических наук, профессору C.B. Кузьмину за участие в формировании направления работы и неоценимую помощь в анализе результатов исследований

друга отличаются, объединяют эти способы процессы, протекающие в поверхностных слоях материалов - образование и перемещение на свободную поверхность дислокаций и вакансий, которые играют одну из ключевых ролей при схватывании металлов.

Вместе с тем, несмотря на множество работ в области высокоскоростного соударения тел и ультразвуковой обработки, вопрос о механизме и особенностях влияния ультразвука на свойства материалов остается недостаточно раскрытым, а исследования влияния воздействия ультразвука на образование соединения при сварке взрывом вообще находятся на начальной стадии изучения. В этой связи особый интерес представляет исследование процесса одновременного воздействия ультразвуковых (УЗ) колебаний при сварке взрывом.

Актуальность работы подтверждается выполнением ее в рамках научно-технических программ и грантов: ГК 14.740.11.0947 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., Российского научного фонда - гос. проект № 14-29-00158, а также присуждением автору премии президента РФ по поддержке талантливой молодежи в 2013 г.

Цель и задачи работы. Целью диссертационного исследования является повышение качества соединения и расширение области свариваемости металлов при сварке взрывом за счет проведения УЗО при одновременном ударно-волновом нагружении материалов на основе изучения закономерностей пластического течения металла околошовной зоны и исследования свойств полученных соединений.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследовано влияние схемы распространения УЗ колебаний на структуру и свойства свариваемых взрывом соединений.

2. Исследовано совместное влияние параметров сварки взрывом и ультразвуковой волны на структуру и свойства полученных композитов.

3. Изучены деформационные особенности характера пластического течения металла околошовной зоны при сварке взрывом с одновременным воздействием УЗ колебаний.

4. На базе результатов проведенных исследований разработаны практические рекомендации получения сваркой взрывом с одновременной УЗО высококачественных медно-алюминиевых переходников электротехнического назначения.

Научная новизна работы заключается в выявлении закономерностей формирования соединения металлов при сварке взрывом с одновременным воздействием УЗ колебаний и установлении взаимосвязей между параметрами исследуемого комбинированного процесса и свойствами полученных соединений.

Впервые обнаружен эффект изменения струюгуры и свойств сварных соединений в условиях сварки взрывом с одновременной УЗО, проявляющийся в увеличении прочности соединения, микротвердости и существенном уменыпе-

4

нии параметров волн и количества оплавленного металла в околошовной зоне по сравнению со сваркой взрывом без применения ультразвука. Наибольшее влияние на изменение структуры и свойств свариваемых взрывом соединений оказывает частота УЗ колебаний, при этом максимальные значения прочности слоев на отрыв для медных образцов реализуются в диапазоне частот/=17...20 кГц, а для алюминиевых образцов наблюдается смещение в сторону больших значений частот/=20...22 кГц.

Экспериментально доказано, что, несмотря на изменение тонкой структуры металла после предварительной ультразвуковой обработки образцов и последующей их сварки взрывом, изменение структуры и свойств околошовной зоны не происходит, а ключевую роль на формирование сварного соединения оказывает именно одновременное воздействие УЗ колебаний и ударных волн при сварке взрывом.

Показано, что пластическое течение металла околошовной зоны в условиях сварки взрывом с воздействием УЗ колебаний характеризуется более равномерным распределением остаточных сдвиговых деформаций по сечению образцов и большей глубиной продеформированного слоя в сравнении со сваркой взрывом без применения ультразвука.

Практическая значимость. Проведенные исследования позволили повысить качество соединений, расширить область свариваемости металлов взрывом и обосновано подойти к оптимизации режимов взрывного нагружения, обеспечивающих получение высокопрочных соединений с минимальным развитием структурной и механической неоднородностей. На базе анализа результатов проведенных исследований даны практические рекомендации по изготовлению сваркой взрывом с одновременной УЗО высококачественных медно-алюминиевых переходников токоподводящего катодного узла алюминиевого электролизера для ОАО «БГАЗ-СУАЛ», что позволило повысить прочность и уменьшить падение напряжения в зоне контакта более чем в 2 раза по сравнению с показателями для штатных узлов.

Достоверность результатов проведенных исследований и методы исследования. Экспериментальная часть работы выполнена с применением современных методов исследования и аппаратуры, включающих растровую электронную микроскопию (Versa 3D), огпическую микроскопию (OLYMPUS ВХ61, Zeiss Axiovert М40), микротвердомер METKON DUROLINE-M, ренггенострук-турный анализ (ДРОН-3), осциллограф Tektronix DPO 2024, электронно-счетные частотомеры 43-63, а также использования специализированного программного обеспечения и средств компьютерной обработки экспериментальных данных.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на международных и всероссийских конференциях: XII международный симпозиум по получению взрывом новых материалов (Краков, Польша, EPNM - 2014 г.), международ. конф.- науч. чтения им. чл.-корр. РАН И. А. Одинга (Москва - 2014 г.), VII междунар. науч.-техн. конф. «Сварка и родственные технологии» (Киев,

5

Украина - 2013 г.), VI междунар. науч. конф. «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (Волгоград, НПМ-2014), VIII междунар. науч. конф. «Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике» (Новосибирск - 2015 г.), V междунар. конф. «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, DFMN - 2013 г.), междунар. форум «Открытые инновации» (Москва - 2013 г.), междунар. конф. «Актуальные проблемы прочности» (Екатеринбург - 2013 г.), междунар. молодежи, науч. нонф. «XXXIX Гагарин-ские чтения» (Москва - 2013 г.), всерос. науч. конф. «Взрыв в физическом эксперименте» (Новосибирск - 2013 г.), всерос. науч. конф. «Грани науки 2013» (Казань - 2013 г), всерос. молодежи, науч. конф. «Химия и технология полимерных и композиционных материалов» (Москва - 2012 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях и семинарах Волгоградской области, ВолгГТУ.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликованы 34 печатные работы, из mix 6 в периодических рецензируемых научно-технических журналах из списка ВАК РФ, получено два патента РФ на изобретение и полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка использованной литературы, включающего 230 наименований,. Основная часть работа содержит 162 страницы машинописного текста, 98 рисунков, 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы, даны основные положения диссертации и ее содержание по главам.

В первой главе рассмотрены основные схемы и параметры процесса сварки взрывом, природа и источники УЗ колебаний, дан анализ влияния параметров ультразвуковой волны на структуру и свойства обрабатываемых и свариваемых материалов.

Процессы деформирования металла, протекающие при высокоскоростном соударении тел, достаточно полно освещены в работах В. И. Беляева, М. П. Бондарь, А. А. Дерибаса, А. Г. Кобелева, А. Н. Кривенцова, С. В. Кузьмина, В. И. Лы-сака, В. М. Оголихина, А. П. Пеева, В. С. Седыха, Р. В. Стефановича, Б. Д. Цема-ховича, Е. А. Чугунова, В. Г. Шморгуна, В. Crossland, М. Mayer, G. Moss, А. Oberg, J. Schweitz и др., в которых показано, что качественное соединение при сварке металлов взрывом возможно получить, если в околошовной зоне реализуется определённый уровень сдвиговых деформаций, обеспечивающий минимальное количество оплавленного металла.

Проведенный анализ многочисленных научных работ отечественных и зарубежных исследователей (О. В. Абрамова, Б. А. Агранат, И. П. Голяминой, В. Ф. Казанцева, В. А. Клименова, В. В. Клубовича, А. В. Кулемина, А. И. Маркова, В. Е. Панина, Л. Д. Розенберга, Н. А. Тяпуниной, О. Л. Хасанова, В. Н. Хмелева, В. А. Шутилова, R. Baldev, H. Berger, J. Gallego, и др.) показал, что путем воздействия мощным ультразвуком можно активно влиять на структуру и свойства металлов и сплавов, способствуя тем самым интенсификации технологических процессов их обработки. Показано, если на материал, подвергаемый статическому деформированию, воздействовать ультразвуком, характер пластической деформации меняется: уменьшаются значения ст„, соответствующие данной деформации, снижается предел текучести т. е. материал становится более пластичным (эффект Блага-Лангенеккера). При этом пластическое деформирование с применением ультразвука дает уникальную возможность деформировать хрупкие или очень прочные материалы, которые в обычных условиях не деформируются или деформируются плохо (растрескивание). Механизм наблюдаемых явлений связан, главным образом, с увеличением числа и подвижности дислокаций под воздействием УЗ колебаний.

Вопросам повышения качества и производительности сварки путем эффективного применения современных ультразвуковых технологий посвящены работы С. С. Волкова, Н. И. Голикова, И. А. Каданцева, В. Л. Ланина, Л. М. Лобанова, И. В. Петушко, И. В. Погорельцева, Р. Г. Ризванова, Л. Л. Силина, Е. Ш. Статникова, А. И. Трофимова, Ю. В. Холопова и др., в которых показано, что УЗО позволяет повысить предел прочности, ударную вязкость и усталостную долговечность сварного соединения, кроме этого, увеличивает стойкость к МКК, уменьшает величину зерна и способствует образованию более однородной структуры в металле шва.

Однако, несмотря на значительные успехи в области высокоскоростного соударения тел и ультразвуковой обработки материалов исследований по изучению процесса деформирования металла и формирования сварного соединения в условиях взрывного нагружения и воздействия УЗ колебаний практически не проводилось. Поэтому постановка задачи повышения качества и расширение области свариваемости металлов взрывом за счет ввода дополнительной энергии источника УЗ колебаний представляется актуальной.

Во второй главе приведены схемы сварки взрывом с воздействием УЗ колебаний, свойства применяемых материалов, описаны методики проводимых опытов, механических испытаний, металлографических исследований и обработки результатов экспериментальных данных.

При проведении экспериментов сварку взрывом с одновременным воздействием ультразвука на неподвижную пластину осуществляли по двум схемам: с встречным (рис.1, а) и перпендикулярным (рис.1, б) распространением продольных УЗ колебаний относительно направления процесса сварки.

Свойства и качество сваренных взрывом композитов оценивали по изменению прочности слоев на отрыв, количества оплавленного металла, параметров волн на границе соединения и микротвердости металла околошовной зоны.

Рис.1. Схемы сварки взрывом с применением ультразвука: а — встречно-направленные УЗ колебания; б - перпендикулярно-направленные УЗ колебания; 1 — электродетонатор; 2 - заряд ВВ; 3 - метаемая пластина; 4 - неподвижная пластина; 5 - концентратор (волновод); 6 - пьезокерамический преобразователь; 7 - ультразвуковой генератор

Скорость детонации взрывчатого вещества определяли электроконтактным методом с применением регистрирующей аппаратуры (цифровые осциллографы, частотомеры).

Изучение закономерностей пластического течения металла в околошовной зоне проводили с применением многослойных вставок с плотно прилегающими тонкими (0,05 мм) слоями, располагаемыми в опытных пластинах перпендикулярно и параллельно распространению детонационной волны в плоскости главных деформаций, с последующим объединением фотоотпечатков продефор-мированных поперечных и продольных слоев в естественную координатную сетку. Математическую обработку осуществляли с помощью программы «EWD 1.0», позволяющей аппаратно, с экрана монитора определять величину сдвиговой деформации дтах в любом сечении фотоотпечатка микрошлифа.

Металлографические исследования выполняли на оптических микроскопах OLYMPUS ВХ61, Zeiss Axiovert М40. Микротвердость металла околошовной зоны измеряли на приборе Metkon DUROLINE-M. Исследование тонкой структуры выполняли на сканирующем электронном микроскопе Versa 3D с высоким разрешением и контрастом полученных изображений. Изучение фазового состава и параметров структурных составляющих проводили на дифрактометре ДРОН-3, который позволяет определить напряжения второго рода и относительную микродеформацию кристаллической решетки исследуемых образцов.

В третьей главе представлены результаты исследования влияния воздействия УЗ колебаний в условиях сварки взрывом на структуру и свойства полученных соединений.

Впервые обнаружен эффект изменения структуры и свойств сварных соединений в условиях сварки взрывом с одновременной УЗО, проявляющийся в

п

и

увеличении их прочности, микротвердости приконтактных слоев металла и существенном уменьшении параметров волн и количества оплавленного металла в зоне соединения по сравнению с соответствующими характеристиками образцов, полученных сваркой взрывом без применения ультразвука.

Металлографические исследования показали, что воздействие УЗ колебаний в процессе сварки взрывом приводит к уменьшению параметров волн и количества оплавленного металла на границе соединения как стальных (рис. 2, а) так и медных образцов (рис. 2, 6).

Рис. 2. Микроструктура границы соединений СтЗ+СтЗ (а, в) и МХ+М1 (б, г), полученных: а, б - сварка взрывом + УЗО; в, г - сварка взрывом

Так, установлено, что в медных образцах воздействие УЗ колебаний принципиально меняет волновой профиль зоны соединения, форму и структуру оплавленных участков: при сварке взрывом + УЗО наблюдаются небольшие волны с тонкой прерывающейся прослойкой оплавленного металла, вытянутой вдоль линии соединения (рис. 2, б), тогда как контрольные образцы (без УЗО) имеют четко-выраженный синусоидальный профиль волны с оплавами больших объемов, вокруг центра кристаллизации которых расположены игольчатые дендриты (рис. 2, г).

Для изучения влияния воздействия ультразвука на тонкую структуру и свойства меди в исходном состоянии и после сварки взрывом был проведен рентгеноструктурный анализ.

Экспериментально показано, что ультразвуковая обработка изменяет свойства меди на уровне кристаллической решетки, которое выражается в

уменьшении размера блоков мозаики и увеличении напряжений второго рода а2 по сравнению с эталоном с равновесной структурой. Однако такая трансформация структуры не влияет на размеры волн и строение зоны соединения при последующей сварке взрывом без применения высокочастотных колебаний. Обнаруженный эффект влияния УЗО проявляется только при условии одновременного воздействия этих процессов на стадии формирования.

Экспериментально установлено, что наибольшее значение прочности на отрыв слоев ггетр реализовано при действии встречно-направленных УЗ колебаний (рис. 1, а): так среднее значение прочности для стальных образцов с УЗО составляло <готр = 460 МПа, в то время как в контрольных образцах (без применения ультразвука) прочность меньше - <т0Тр = 420 МПа. Аналогичная ситуация наблюдается и при сварке взрывом с УЗО медных образцов - сг0Тр = 280 МПа, против 250 МПа в контрольных образцах (рис.3).

200

Рис. 3 - Влияние схемы распространения УЗ колебаний на прочность в„р стальных и медных соединений:

1 — встречно-направленные УЗ колебания;

2 - перпендикулярно-направленные УЗ колебания;

3 - сварка взрывом без применения ультразвука;

4 - предварительная УЗО.

С„ м/с

Рис.4. Влияние скорости соударения Ус на прочность 0"отр, (я), длину волны X (6—1,2), высоту волны 2а (6-3,4) и количество оплавленного металла К0Ш1 (6-5,6) соединения М1+М1: 1,3,5 - сварка взрывом; 2,4,6- сварка взрывом + УЗО

А, 2 а, мм

к„„%

70 60 50 40 30 20 10 О

400 X, м/с

Исследование влияния скорости соударения Кс на прочность <т0тр. соединения М1+М1 показало, что во всем диапазоне изменения от 260 до 440 м/с после сварки взрывом с одновременной УЗО наблюдается увеличение прочности по сравнению с контрольными образцами без применения ультразвука: для медных образцов с воздействием УЗ колебаний максимальная прочность составляла <тотр. = 277 МПа, а контрольных образцов - ст^р. = 253 МПа (рис. 4, а).

Установлено, что при сварке взрывом с одновременной УЗО медных образцов происходит снижение не только параметров волн, но и уменьшение количества оплавленного металла по сравнению с контрольными образцами. Так, если в условиях сварки взрывом с воздействием УЗ колебаний (при Ус = 370 м/с)

количество оплавление , МПа

Отр.'

Ук=2300 м/с Ус=310 м/с

- 280

- 260

- 240

■220

ного металла на границе соединения М1+М1 составляло Ктп ~28%, то при сварке взрывом без применения ультразвука количество оплавов значительно больше - Кош ~ 54% (рис. 4, б). Аналогичная тенденция уменьшения параметров волн и количества оплавленного металла наблюдалась и при воздействии УЗ колебаний на свариваемые взрывом алюминиевые соединения.

Исследование влияния режимов УЗО (частоты /и амплитуды £) на структуру и свойства свариваемых взрывом композитов показало, что более значительное влияние оказывает частота / УЗ колебаний, с увеличением которой

/кГц

Рис. 5 - Влияние частоты / УЗ колебаний на прочность °отр С0> Длину X (2) и размах 2а (3) волны сваренного взрывом соединения М1+М1

Рис.6. Микроструктура границы соединения М1+М1: а - сварка взрывом; б - сварка взрывом + УЗО при /=18 кГц; в - сварка взрывом + УЗО при / = 25 кГц

Рис. 7 - Влияние амплитуды f УЗ колебаний на прочность и количество оплавов А"опл сваренных взрывом медных и алюминиевых соединений: 1 - с „р. М1+М1; 2 - <ттр. AS+AS; 3-KowiMl+Ml;4 -К0Ш1.А5+А5.

сначала происходит рост прочности атр композита М1+М1 (рис. 5), а затем прочность падает, что связано с увеличением количества оплавленного металла на границе соединения (рис. 6). Параметры волн (2а, X) с увеличением частоты линейно возрастают (рис. 5, 6), не достигая при этом значений, реализующихся при сварке взрывом без ультразвука. Аналогичные зависимости влияния частоты получены и при сварке взрывом с одновременной УЗО алюминиевых образцов, однако наблюдается смещение пика прочности по сравнению с медными образцами (/= 17...20 кГц) в сторону больших значений - / = 20.. .22 кГц.

Показано, что при увеличении амплитуды УЗ колебаний более чем в три раза происходит незначительное уменьшение прочности соединения и небольшой рост количества оплавленного металла (рис. 7) как в медных, так и в алюминиевых образцах, сваренных взрывом с одновременным воздействием ультразвука.

Четвертая глава посвящена изучению закономерностей пластического течения металла околошовной зоны в условиях сварки взрывом с одновременным воздействием УЗ колебаний.

Анализ пластического течения металла околошовной зоны (ОШЗ) в условиях высокоскоростного соударения материалов показал, что одновременная УЗО в процессе сварки взрывом оказывает существенное влияние на величину и характер распределения остаточной сдви-

ШШЯШк— Г0В°Й деФ°Рмации 5тах по

Рис. 8 - Эпюры максимальных сдвнгов и дефор- сравнению со сваркой взры-мация поперечной слоистой модели сваренного взры- BOM контрольных образцов вом соединения М1+М1: 1 - сварка взрывом; 2 - (без УЗО). сварка взрывом + УЗО

Экспериментально установлено, что при сварке взрывом с одновременной УЗО медных образцов максимальная остаточная сдвиговая деформация дтах, измеренная в непосредственной близости от условной линии соединения слоев, составляет около 155% , в то время как на контрольном образце, полученном на идентичных режимах сварки взрывом, но без воздействия УЗ колебаний, сдвиговая деформация меньше дтю1 ~ 130% (рис. 8). По мере удаления от линии соединения значения дткх интенсивно уменьшаются и на расстоянии у = 0,5 мм составляют около 100% при сварке взрывом с одновременной УЗО, а у контрольного образца дтлх ~ 70%. Причем, глубинные объемы металла контрольного образца практически не затронуты пластической деформацией (рис. 8).

Результаты исследования пластического течения металла в ОШЗ при сварке взрывом алюминиевых образцов показали (рис. 9), что воздействие УЗ колебаний приводит к увеличению максимальной сдвиговой деформации аналогично, как и при сварке медных образцов. Так, при сварке взрывом с одновременной УЗО макси-

Рис. 9 - Эпюры максимальных сдвигов дт,х (а) и деформация поперечной слоистой модели сваренного взрывом соединения А5+А5: 1 - сварка взрывом; 2 - сварка взрывом + УЗО

ш

Условная ЛС: {| '1

1111

' . ■ ' 130

Ри

Ш

170 -^фт

тШШ.

3.5 <-.

щж.................

шшщт

тиШфШй

Рис. 10 - Эпюры максимальных сдвигов дтгх (а) и деформация поперечных слоистых моделей (б) сваренного взрывом соединения А5+А5

мальная остаточная сдвиговая деформация дтах, измеренная в непосредственной близости от условной линии соединения, для алюминиевых образцов составляет около 175%, тогда как при сварке контрольного образца без воздействия ультразвука значения дтгх меньше ~ 155%. По мере удаления от условной линии соединения значения дтю: интенсивно уменьшаются и при

у = 0,5 мм составляют около 105% при сварке взрывом с одновременной УЗО, а при сварке контрольного образца - около 60%. Глубина продеформированного слоя (т. е. расстояние, где дтах равно нулю) больше при сварке взрывом с одновременным воздействием УЗ колебаний по сравнению с контрольным образцом, где у = 3,3 мм - для образца с УЗО и у = 2,9 мм - для контрольного образца без применения ультразвука (рис. 9). Для изучения возможности влияния воздействия УЗ колебаний в процессе сварки взрывом и на металл в ОШЗ метаемой пластины были проведены эксперименты с одновременной установкой двух одинаковых алюминиевых модельных вставок: одной в неподвижной пластине, а другой - в метаемой. Установлено, что слои поперечной модели в неподвижной пластине деформируются значительно интенсивнее по сравнению со слоями метаемой пластины (рис. 10), а, значит, УЗ колебания, проходящие через неподвижную пластину, не позволяют добиться такого же положительного эффекта воздействия ультразвука и для метаемой пластины.

В пятой главе на основе анализа результатов проведенных исследований даны практические рекомендации по изготовлению с помощью сварки взрывом с одновременной УЗО медно-алюминиевых переходников электротехнического назначения.

Для ОАО «ВГАЗ-СУАЛ» разработана технология изготовления сваркой взрывом с одновременной УЗО высококачественных медно-алюминиевых переходников токоподводящего катодного узла алюминиевого электролизера, позволяющая повысить прочность соединения и электрофизические характеристики композита за счет расширения области свариваемости металлов и опти-

Сварка взрывом у, град. Сварка взрывом+УЗО

Рис. 11 - Влияние воздействия ультразвука на область сварки взрывом соединения М1+А5: ВГ - верхняя граница; НГ - нижняя граница

мизации режимов взрывного нагружения, обеспечивающих получение высокопрочных соединений с минимальным развитием структурной и механической неоднородностей (рис. 11). Сравнительные данные электрофизических испытаний на ОАО «ВГАЗ-СУАЛ» показали, что применение медно-алюминиевых переходников, полученных сваркой взрывом с одновременной УЗО, позволяет существенно снизить падение напряжения АХ] на участке «блюмс-клемма» до 2,6...2,8 тУ, тогда как при использовании штатных переходников, полученных сваркой взрывом без применения ультразвука, падение напряжения значительно выше-А1/=5,б...6,1 тУ.

Разработан новый комбинированный способ сварки взрывом с одновременной УЗО (Пат. РФ № 2516179), позволяющий расширить область сварки и получать высокопрочные соединения на низкоинтенсивных режимах взрывного нагружения, обеспечивая тем самым экономию дорогостоящего взрывчатого вещества и уменьшение нежелательной макродеформации биметаллических заготовок. Разработана новая конструкция ультразвуковой колебательной системы (П.М.РФ № 140332) для многократного использования при сварке взрывом, позволяющая повысить надежность, долговечность и качество сварки за счет увеличения жесткости и обтекаемости корпуса при динамических воздействиях ударных детонационных волн, а также стабилизации параметров ультразвуковой обработки.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые обнаружен эффект изменения структуры и свойств сварных соединений в условиях сварки взрывом с одновременным воздействием УЗ колебаний, проявляющийся в увеличении прочности, микротвердости и существенном уменьшении параметров волн, количества оплавленного металла по сравнению со сваркой взрывом без применения ультразвука.

2. Экспериментально доказано, что предварительная ультразвуковая обработка образцов с последующей их сваркой взрывом не влияет на структуру и свойства околошовной зоны, а ключевую роль на формирование сварного соединения оказывает именно одновременное воздействие УЗ колебаний и ударных волн в процессе сварки взрывом.

3. Показано, что наибольшее влияние на изменение структуры и свойств свариваемых взрывом соединений оказывает частота УЗ колебаний, при этом максимальные значения прочности на отрыв слоев для медных образцов реализуются в диапазоне частот/=17..20 кГц, а для алюминиевых образцов наблюдается смещение пика прочности в сторону больших значений частот/=20.,22 кГц.

4. Установлено, что пластическое течение металла околошовной зоны в условиях сварки взрывом с воздействием УЗ колебаний характеризуется меньшим градиентом эпюр остаточных сдвиговых деформаций и большей глубиной

продеформированного слоя по сравнению со сваркой взрывом без применения ультразвука.

5. Одновременное воздействие ультразвука при сварке взрывом позволяет повысить качество соединений, расширить область свариваемости металлов и обосновано подойти к оптимизации режимов взрывного нагружения, обеспечивающих получение высокопрочных соединений с минимальным развитием структурной и механической неоднородностей

6. На базе анализа проведенных исследований даны практические рекомендации по изготовлению сваркой взрывом с одновременной УЗО высококачественных медно-алюминиевых переходников токоподводящего катодного узла алюминиевого электролизера для ОАО «ВГАЗ-СУАЛ», что позволило повысить прочность и уменьшить падение напряжения более чем в 2 раза по сравнению с показателями для штатных узлов.

Основные положения диссертационного исследования опубликованы в 34 работах, наиболее значимыми среди которых являются:

Статьи в журналах, входящих в перечень ВАК РФ 1. Формирование структуры и свойств свариваемых взрывом соединений под воздействием ультразвука (Structure and Properties of Joints Produced by Ultrasound-Assisted Explosive Welding) / Леев А.П., Кузьмин C.B., Лысак В.И., Кузьмин Е.В., Дородников А.Н. // Физика металлов и металловедение. - 2015. -Т. 116,№8.-С. 861-866.

2.0 влиянии параметров ультразвуковой обработки на структуру и свойства алюминиевых соединений при сварке взрывом / Кузьмин Е.В., Пеев А.П., Лысак В.И., Кузьмин C.B., Дородников А.Н. // Известия ВолгГТУ. Серия «Сварка взрывом и свойства сварных соединений». Вып. 7 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2014. - № 20. - С. 21-24.

3. О пластическом течении металла в окрестностях точки соударения свариваемых взрывом металлов под воздействием ультразвука / Пеев А.П., Кузьмин C.B., Лысак В.И., Кузьмин Е.В., Дородников А.Н. // Известия ВолгГТУ. Серия «Сварка взрывом и свойства сварных соединений». Вып. 7 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2014. - № 20. - С. 25-30.

4. Особенности сварки взрывом меди с одновременной ультразвуковой обработкой / Пеев А.П., Кузьмин C.B., Лысак В.И., Кузьмин Е.В. // Известия ВолгГТУ. Серия "Сварка взрывом и свойства сварных соединений ". Вып. 6 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2013. - № 18. - С. 18-23.

5. Исследование влияния ультразвука на тонкую структуру и свойства меди при сварке взрывом / Пеев А.П., Кузьмин C.B., Лысак В.И., Кузьмин Е.В. // Известия ВолгГТУ. Серия "Сварка взрывом и свойства сварных соединений ". Вып. 6 : межвуз. сб. науч. ст. /ВолгГТУ. - Волгоград, 2013. - № 18. - С. 24-28.

6. Исследование влияния воздействия ультразвука на структуру и свойства сва-

риваемых взрывом композиционных соединений / Пеев А.П., Лысак В.И., Кузьмин C.B., Добрушин Л.Д., Агапов С.И., Кузьмин Е.В., Дородников А.Н. // Изв. ВолгГТУ. Серия "Сварка взрывом и свойства сварных соединений". Вып. 5 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. - № 14. - С. 44-50.

Прочие публикации

7. Ultrasound-assisted explosive welding / Peev A.P., Kuz'min E.V., Lysak V.l., Kuz' min S.V. IIХП International Symposium on Explosive Production of New Materials: Science, Technology, Business, and Innovations (EPNM-2014). - Cracow, 2014. -P. 150-151.

8. Распределение остаточной сдвиговой деформации при сварке взрывом медных образцов с ультразвуковым воздействием / Кузьмин Е.В., Пеев А.П., Лысак В.И., Кузьмин C.B. // Механические свойства современных конструкционных материалов: международные научные чтения им. чл.-корр. РАН ИЛ. Одинга (г. Москва 4-5 сент. 2014 г.): сб. матер. /ИМЕТ РАН. - М., 2014. - С. 167-169.

9. Характер распределения пластической деформации металла при сварке взрывом с одновременной ультразвуковой обработкой / Кузьмин Е.В., Пеев А.П., Лысак В.И., Кузьмин C.B. // Новые перспективные материалы и технологии их получения. НПМ-2014 : сб. науч. тр. VI междунар. науч. конф. (Волгоград, 16-18 сент. 2014 г.) / ВолгГТУ. - Волгоград, 2014. - С. 122-123.

10. Кузьмин, Е.В. Энергосберегающие композиционные переходные электроко-нтакгные элементы и узлы / Кузьмин Е.В., Снежко Ю.В., Хаустов C.B. // Энергосбережение и энергоэффективность. Волгоград-2014 (15-17 апр. 2014 г.) : сб. докл. и выступл. межрегион, форума / Правительство Волгогр. обл., ГБУ ВО «Волгогр. цешр энергоэффективности». - Волгоград, 2014. - С. 161-165. .

11. Исследование влияния воздействия ультразвуковых колебаний на структуру и свойства свариваемых взрывом соединений / Пеев А.П., Лысак В.И., Кузьмин C.B., Кузьмин Е.В. // Сварка и родственные технологии : матер. VII науч.-техн. конф. молодых учбных и специалистов, посвящ. 95-летию Нац. акад. наук Украины, Киев, 22-24 мая 2013 г. / НАНИ Украины, Ин-т электросварки им. Е.О. Па-тона, Совет науч. молодёжи ИЭС им. Е.О. Патона. - Киев, 2013. - С. 52-53.

12. Сварка взрывом с одновременной ультразвуковой обработкой / Е.В. Кузьмин, А.П. Пеев, В.И. Лысак, C.B. Кузьмин, А.Н. Дородников // VIII международная конференция, посвящённая 115-летию со дня рождения академика Михаила Алексеевича Лаврентьева «Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике» (7-11 сент. 2015 г.) : тез. докл. / Сибирское отделение РАН, Ин-т гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, Новосибирский гос. ун-т. - Новосибирск, 2015. - С. 193-194.

13. Кузьмин, Е.В. Особенности воздействия ультразвуковых колебаний в процессе сварки взрывом на структуру и свойства получаемых соединений однородных пар металлов / Кузьмин Е.В. // Деформация и разрушение материалов и наноматериалов. DFMN 2013 : сб. матер. V междунар. конф., Москва, 26-29 но-

17

ября 2013 г. / Ин-т металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова РАН. - М., 2013. - С. 244-245.

14. Кузьмин, Е.В. Особенности формирования соединений при сварке взрывом с ультразвуковой обработкой / Кузьмин Е.В., Снежко Ю.В., Лысак В.И. // XXXIX Гагаринские чтения : науч. тр. междунар. молодёжной науч. конф., Москва, 9-13 апр. 2013 г. В 9 т. Т. 1 / "МАТИ" - Рос. гос. технол. ун-т им. К.Э. Циолковского. -М„ 2013. - С. 50-52.

15. Кузьмин, Е.В. Исследование влияния воздействия ультразвуковых колебаний на структуру и свойства свариваемых взрывом соединений / Кузьмин Е.В., До-родников А.Н., Пеев А.П. // XXXIX Гагаринские чтения : науч. тр. междунар. молодёжной науч. конф., Москва, 9-13 апр. 2013 г. В 9 т. Т. 1 / "МАТИ" - Рос. гос. технол. ун-т им. К.Э. Циолковского. - М., 2013. - С. 222-223.

16. Кузьмин, Е.В. Исследование влияния ультразвуковых колебаний в процессе сварки взрывом на рост микротвёрдости получаемых композитов / Кузьмин Е.В. // Физико-химия и технология неорганических материалов : сб. матер. X Российской ежегод. конф. молодых науч. сотрудников и аспирантов, Москва, 22-25 окг. 2013 г. / ИМЕТ им. A.A. Байкова РАН. - М., 2013. - С. 258-259.

17. Изучение влияния ультразвуковых колебаний в ходе взрывного нагружения однородных пар металлов на структуру и свойства получаемых соединений / Кузьмин Е.В., Пеев А.П., Лысак В.И., Кузьмин C.B., Дородников А.Н. // Взрыв в физическом эксперименте : тез. докл. всерос. конф., Академгородок, Новосибирск, 16-20 сент. 2013 г. / Ин-т гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН. -Новосибирск, 2013. - С. 154-155.

18. Влияние ультразвуковых воздействий на структуру и свойства соединения металлов при сварке взрывом / Пеев А.П., Лысак В.И., Кузьмин C.B., Кузьмин Е.В. // Актуальные проблемы прочности : сб. тез. докл. 54 междунар. конф., Екатеринбург, 11-15 нояб. 2013 г. / ФГБУН Ин-т физики металлов УрО РАН. - Екатеринбург, 2013. - С. 209.

19. Кузьмин, Е.В. Исследование воздействия ультразвуковых колебаний в процессе высокоскоростного соударения на структуру и свойства получаемых композиционных материалов / Кузьмин Е.В. // Инновации в материаловедении : сб. матер, всерос. молодёжной конф. с междунар. участием, 3-5 июня 2013 г. / Ин-т металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова РАН. - М., 2013. - С. 176.

20. Кузьмин, Е.В. Исследование структуры и свойств композитов, полученных сваркой взрывом с одновременной ультразвуковой обработкой / Кузьмин Е.В. // Грани науки 2013 : сб. тез. 2-й всерос. Интернет-конф., Казань, апрель-июнь 2013 г. / Казанский (Приволжский) федеральный ун-т.- Казань, 2013. - С. 848849.

21. Кузьмин, Е.В. Рентгеноструюурный анализ медных композитов, полученных сваркой взрывом с одновременной ультразвуковой обработкой / Кузьмин Е.В. // Инновации в материаловедении: сб. матер, всерос. молодёж. конф. с междунар.

участием, 3-5 июня 2013г. /Ин-т металлургии и материаловедения им. A.A. Бай-кова РАН,- М., 2013,- С. 177.

22. Кузьмин, Е.В. Изучение закономерностей влияния ультразвуковых колебаний на структуру и свойства свариваемых взрывом композиционных соединений / Кузьмин Е.В., Пеев А.П., Лысак В.И. // XVII региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, Волгоград, 6-9 нояб. 2012 г. : тез. докл. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2013. - С. 90-92.

23. Влияние ультразвуковых колебаний в условиях сварки взрывом на структуру и свойства получаемых соединений / Кузьмин Е.В., Пеев А.П., Лысак В.И., Кузьмин С.В., Дубинина Е.В. // Химия и технология полимерных и композиционных материалов : прогр. и сб. матер, всерос. молодёжной науч. школы (г. Москва, 26-28 нояб. 2012 г.) / Ин-т металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова РАН, Совет молодых учёных ИМЕТ РАН. - М„ 2012. - С. 186.

24. Пат. 2516179 РФ, МПК В23К20/08, В23К20/10. Способ комбинированной сварки взрывом / Лысак В.И., Кузьмин С.В., Пеев А.П., Кузьмин Е.В.; ВолгГТУ, заявл. 17.12.2012.

25. П. М. 140332 РФ, МПК В06В1/06, В23К28/02, В23К20/08. Ультразвуковая колебательная система для обработки материалов / Кузьмин Е.В., Кузьмин С.В., ЛысакВ.И., Пеев А.П.; ВолгГТУ, заявл. 24.12.2013.

Личный вклад автора в опубликованные работы. В представленных работах, выполненных в соавторстве с другими исследователями, автором получены и проанализированы результаты исследования влияния ультразвуковых колебаний в процессе взрывного нагружения на структуру и свойства полученных соединений [1, 2, 4-6, 11, 14-20], исследованы деформационные закономерности образования соединения при сварке взрывом под воздействием ультразвуковых колебаний [3, 7-9, 12, 13], разработаны практические рекомендации получения сваркой взрывом с применением ультразвука высококачественных медно-алюминиевых композитов электротехнического назначения [10, 21, 23- 25].

Подписано в печать 02.10.2015 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 626.

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