Способ сварки взрывом

Изобретение относится к области технологии сварки металлов взрывом. Предложен способ сварки взрывом, включающий установку заряда взрывчатого вещества (ВВ) на верхней поверхности метаемого листа, инициирование заряда ВВ и соударение метаемого листа под действием взрыва с неподвижным листом. Вдоль боковой поверхности неподвижного листа на линии, совпадающей с направлением волны детонации, рядами, по крайней мере в одной обойме из изоляционного материала, на заданном расстоянии друг от друга устанавливают стержневые датчики с возможностью контактирования их концов с метаемым листом при инициировании заряда ВВ. Стержневые датчики выполняют высотой, увеличивающейся в направлении, перпендикулярном направлению волны детонации. Фиксируют импульсы, возникающие при контактировании метаемого листа с концами датчиков для определения угла соударения свариваемых листов, скорости перемещения точки контакта метаемого листа с неподвижным листом и скорости полета метаемого листа. Изобретение направлено на повышение точности определения параметров сварки взрывом и качества сварного шва, исключение механического искажения неподвижного листа и снижение трудоемкости. 8 ил.

 

Изобретение относится к области технологии сварки металлов взрывом, когда осуществляется сварное соединение больших по площади листов (до 10 м²) с использованием значительных масс взрывчатого вещества (ВВ) (десятки кг) на открытой местности (открытом полигоне).

Известны способы контроля параметров процесса сварки взрывом путем использования реохордных датчиков [Г.Е.Кузьмин, В.И.Мали, В.В.Пай «О метании плоских пластин слоями конденсированных ВВ» ФГВ, 1973, т.9, №4, стр.558-562].

Однако их использование в случае измерения параметров сварки взрывом крупногабаритных заготовок (площадью до 10 м²) затруднительно по следующим причинам.

Процесс сварки взрывом больших по площади металлических листов является нестабильным. Волна сжатия, обгоняющая фронт детонационной волны, способна подпрессовывать непрореагировавшее ВВ, что, в итоге, приводит к увеличению скорости детонации и изменению параметров сварки взрывом. Поэтому для измерения указанных параметров необходимо устанавливать датчики в разных местах по площади свариваемых листов. В случае реохордных датчиков необходимо иметь доступ к обеим поверхностям неподвижного листа. Этот факт усложняет процесс установки датчиков, поскольку размеры листа велики (10 м²).

В случае замыкания проволоки на лист сразу все датчики выходят из строя.

Поэтому для контроля параметров сварки металлов взрывом в условиях открытого полигона лучше использовать способы, основанные на применении стержневых датчиков.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является выбранный в качестве прототипа способ сварки взрывом, включающий установку заряда взрывчатого вещества на верхней поверхности метаемого листа, инициирование заряда ВВ и соударение метаемого листа под действием взрыва с неподвижным листом [Сварка и свариваемые материалы, том 2, Технология и оборудование, под ред. Волченко В.Н., Ямпольского В.М., М., МГТУ им. Баумана, 1996, с.287-298 ].

Однако этому способу присущи следующие недостатки.

Недостатком данного способа является невозможность контроля угла соударения свариваемых листов, скорости перемещения точки контакта метаемого листа с неподвижным листом и скорости полета метаемого листа в процессе сварки взрывом.

Технической задачей изобретения является создание способа, обеспечивающего контроль параметров сварки взрывом непосредственно в условиях открытого полигона. Технический результат, получаемый от предлагаемого изобретения:

- обеспечение точности определения параметров сварки взрывом и качества сварного шва;

- снижение трудозатрат, связанных с проверкой качества сварного шва.

Техническая задача решается следующим образом.

Предлагается способ сварки взрывом, включающий установку заряда взрывчатого вещества (ВВ) на верхней поверхности метаемого листа, инициирование заряда ВВ и соударение метаемого листа под действием взрыва с неподвижным листом. В отличие от прототипа вдоль боковой поверхности неподвижного листа на линии, совпадающей с направлением волны детонации, рядами, по крайней мере в одной обойме из изоляционного материала, на заданном расстоянии друг от друга устанавливают стержневые датчики, выполненные высотой, увеличивающейся в направлении, перпендикулярном направлению волны детонации, с возможностью контактирования их концов с метаемым листом при инициировании заряда ВВ, фиксируют импульсы, возникающие при контактировании метаемого листа с концами датчиков для определения угла соударения свариваемых листов, скорости перемещения точки контакта метаемого листа с неподвижным листом и скорости полета метаемого листа.

Размещение датчиков, по крайней мере, в одной обойме и ее установка вдоль боковой поверхности неподвижного свариваемого листа позволяют обеспечить точность контроля процесса сварки взрывом, качество сварного шва.

Также размещение датчиков в обойме позволяет обеспечить снижение трудозатрат, связанных с проверкой качества сварного шва. Установку датчиков можно производить в лабораторных условиях, где можно выполнить точное размещение датчиков и точное измерение их высоты.

Выполнение высоты датчиков увеличивающейся в направлении, перпендикулярном направлению волны детонации, позволяет измерять скорость полета метаемой пластины на конкретных координатах.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показана обойма со стержневыми датчиками, вид сбоку, на фиг.2 - вид сверху. На фиг.3 показан внешний вид стержневых датчиков (тип - единичные проволочки), на фиг.4 - (тип - витая пара: две свитые проволочки). На фиг.5 показано расположение свариваемых листов и обойм, вид сбоку, на фиг.6 - вид сверху. На фиг.7 показана таблица 1, в которой приведены данные по временам между замыканиями стержневых датчиков по координате ОУ. На фиг.8 показана таблица 2, в которой приведены данные по временам между замыканиями стержневых датчиков по координате ОХ.

Способ осуществляется следующим образом.

Предварительно в стационарных лабораторных условиях готовится по крайней мере одна обойма 1 из изоляционного материала, например из оргстекла, фторопласта и т.п. (фиг.1). В обойме 1 выполняются посадочные места (отверстия) 2 для размещения на заданных расстояниях Х и Z друг от друга стержневых датчиков 3.

Стержневые датчики 3 размещают рядами. Высоту датчиков 3 выполняют увеличивающейся в направлении, перпендикулярном направлению волны детонации.

Стержневые датчики 3 присоединяют кабельными линиями к регистратору. Заземляющие контакты объединяют. Используют радиочастотные кабели (не показано). В качестве регистратора может быть использован приборный комплекс, предназначенный для многоканальных измерений временных параметров электрических сигналов при газодинамических и других физических экспериментах с использованием электроконтактных датчиков.

Обойму 1 со стержневыми датчиками 3 (одну или несколько) устанавливают вплотную к торцу боковой поверхности неподвижного листа 5 на линии, совпадающей с направлением волны детонации. Поверхности обоймы 1 с датчиками 3 и неподвижного листа 5 выставляют на одинаковом уровне.

При инициировании заряда ВВ 6 электродетонатором 7, продукты взрыва разгоняют метаемый лист 4. Обычно при сварке взрывом крупногабаритных заготовок метаемый лист по размеру выполняется несколько больше неподвижного (см.фиг.6, т.н. расположение с «нависанием»). Этот прием позволяет исключить отрицательное воздействие боковой волны разгрузки (уменьшение скорости метаемого листа в зоне контакта с неподвижным листом вблизи ее боковых торцов, что приводит к искривлению профиля метаемого листа) и получить аккуратную форму торца биметалла [Сборник «Физика взрыва и применение взрыва в физическом эксперименте» Новосибирск, 2003 г., стр.106-108].

Происходит последовательное замыкание стержневых контактов последовательно по рядам на конкретных координатах х_i. Из записей в цифровой форме, фиксируемых регистратором, выделяются следующие последовательности.

- Для конкретной координаты Х отбираются интервалы времени Δτ_j, соответствующие замыканию соседних стержневых датчиков 3.

где: W_j - скорость полета метаемого листа при пролете базы Δу между торцами соседних стержневых датчиков;

Δy_j - конкретная величина базы полета метаемого листа, относительно двух стержневых датчиков;

Δτ_j - время между замыканиями торцов двух стержневых датчиков, расположенных на выбранной базе Δy_j.

Поскольку базу Δy между торцами соседних датчиков задают небольшой (обычно она составляет Δy=0.5 мм, но в конкретных случаях может быть задана и другая величина Δy), погрешность за счет смещения метаемого листа по оси ОХ на разных координатах по оси ОУ можно пренебречь.

где:

- средняя величина скорости полета метаемого листа;

n - количество измерений

- Для последовательности рядов стержневых датчиков 3 по оси ОХ отбираются временные интервалы Δt_i, соответствующие замыканию одинаковых по высоте датчиков, но расположенных на разных координатах х_i.

где: υk_i - скорость перемещения точки контакта метаемого листа с неподвижным листом на базе Δх между торцами соответствующих стержневых датчиков;

Δх_i - конкретная величина базы перемещения метаемого листа вдоль поверхности неподвижного листа между торцами соответствующих стержневых датчиков;

Δt_i - время между замыканиями торцов двух стержневых датчиков, расположенных на выбранной базе Δх_i.

где:

- средняя величина скорости перемещения точки контакта метаемого листа с неподвижным листом;

m - количество измерений .

Согласно геометрической схеме косого соударения листов угол соударения γ есть:

где: γ - угол соударения метаемого листа с неподвижным листом.

Следует отметить, что указанное соотношение отличается от другого, часто используемого в расчетных оценках:

В интервале углов 0<γ<30°, наиболее часто применяемых при сварке металлов взрывом, различие между величинами γ, рассчитанными по соотношениям (5) и (6), не превышает 3%.

Использование, по крайней мере, одной измерительной обоймы 1 позволяет в лабораторных условиях выполнить точную постановку датчиков 3 и точное измерение их высоты.

Выполнение метаемого листа 4 «с нависанием» приводит к сохранению его скорости в зоне контакта со стрежневыми датчиками 3 такой же, как и по всей поверхности контакта.

Применение обоймы 1 из изолятора позволяет исключить образование облака металлической «пыли» перед точкой контакта («кумулятивной струи») и предотвратить возможное деформирование и искажение геометрии датчиков 3.

Пример конкретного выполнения.

Сначала подготавливают обойму 1. Обойма 1 представляет собой прямоугольный параллелепипед из оргстекла размером 120×20×10 мм. В центральной зоне обоймы 1 симметрично размещается 16 стержневых датчиков 3 (фиг.1):х=30 мм; z=1.5 мм. На предварительно размеченной поверхности обоймы 1 высверливаются отверстия 2 ⊘0.25 мм. В отверстия 2 устанавливаются стержневые датчики 3.

Могут быть использованы два типа стержневых датчиков:

- единичные медные проволочки ⊘ 0.3 мм. В этом случае наибольший по высоте стержневой датчик является заземляющим контактом.

- витая пара. Две медные проволочки ⊘ 0.1 мм свиваются. Торцы разъединяются и выставляются на одинаковой базе. Одна из проволочек является заземлением.

В данном примере использовались стержневые датчики 3, в виде медных проволочек диаметром 0.1 мм каждая, т.н. контакт «витая пара» (см.фиг.4). После выбора требуемой высоты стержневых датчиков 3 свободный объем отверстий заливается клеем -типа эпоксидная смола. Назначение клея - прочно удерживать датчики 3 в обойме 1. С тыльной стороны обоймы 1 проводится стыковка стрежневых датчиков 3 с кабельной линией (не показано). По одному из контактов 3 каждой пары объединяются и соединяются с объединенной оплеткой радиочастотных кабелей. Свободный контакт соединяется с жилой соответствующего кабеля. Далее кабельная линия стыкуется с регистратором. В качестве регистратора был использован приборный комплекс с осциллографом НР54602, который осуществляет:

- зарядку кабельных линий измерительных каналов, включая стержневые контактные датчики (зарядное напряжение может устанавливаться дискретно: от 0.2 В до 100 В);

- контроль за отсутствием утечки напряжения в измерительных каналах перед опытом;

- преобразование импульсов, возникающих в измерительных каналах при замыкании стрежневых контактных датчиков и имеющих ступенчатую форму, в импульсы с экспоненциальным спадом;

- проводит измерение интервалов времени между подрывным импульсом, являющимся началом отсчета, и импульсами, поступающими на измерительные входы;

- проводит измерение длительности импульсов, поступающих на измерительные входы;

- обеспечивает запоминание собранной информации и ее хранение;

- проводит предварительную обработку и визуализацию информации.

Стержневые датчики 3 имели следующие размеры по оси ОУ: 0; 0.5; 1; 1.5 (мм). Одна (или несколько) обойм 1 устанавливаются вплотную к боковой поверхности неподвижного листа 5 вдоль линии направления волны детонации. Плоскость верхней поверхности обоймы 1 по горизонтали совпадает с плоскостью поверхности сварки у неподвижного листа 5. Обычно при сварке крупногабаритных заготовок метаемый лист 4 выполняется несколько большей площади, чем неподвижный 5 (фиг.6). Этот прием позволяет исключить отрицательное влияние боковой волны разрежения на качество сварки периферийных участков пластин и получить аккуратную форму торцов свариваемых деталей.

Неразгруженные участки метаемого листа 4 ударяют по обойме 1 с внедренными в нее стержневыми датчиками 3. Происходит последовательное замыкание стержневых датчиков 3. На регистраторе в цифровой форме фиксируются интервалы времени между последовательными замыканиями датчиков 3.

Погрешность определения расстояния между торцами соседних стержневых датчиков (y_j) не превышает 0.05 мм. Погрешность определения расстояния между соседними рядами датчиков (х_i) не превышает 0.1 мм. Такова же погрешность определения расстояния между соседними датчиками в одном ряду (z_k). Хотя эта величина и не влияет на суммарную погрешность определения угла соударения свариваемых листов γ и скорости перемещения точки контакта метаемого листа с неподвижным листом υ_k.

В качестве метаемого листа 4 использовался стальной лист толщиной 3 мм, в качестве заряда ВВ 6 использовался аммонит 6ЖВ толщиной 20 мм. Результаты измерений сведены в таблицы 1 и 2 (см. фиг.7 и фиг.8).

Табличное значение скорости детонации ВВ аммонит 6ЖВ составляет D=4.2 мм/мкс;

Таким образом, угол соударения свариваемых листов γ, вычисленный по соотношению (5) дал величину γ₁=12.24°.

Угол соударения свариваемых листов γ, вычисленный по соотношению (6), дал величину γ₂=12.44°.

Разница составила .

Для проверки и обоснования экспериментальных данных по углу соударения свариваемых листов γ нами были выполнены расчеты по соотношению [А.А.Дерибас «Метание металлических пластин тангенциальной детонационной волной» ПМТФ, 2000, т.41, №5, стр.68-74].

Здесь: E_G - энергия Гарни (часть теплоты взрывчатого превращения, переходящая в кинетическую энергию ПВ). Для состава аммонит 6ЖВ мм/мкс;

D - скорость детонации заряда ВВ;

R - относительная масса (отношение массы ВВ к массе метаемого листа);

γ=12.34°.

Получено хорошее соответствие между расчетными значениями угла соударения свариваемых листов γ и результатами экспериментов.

Предложенный способ позволяет обеспечить точность контроля параметров процесса сварки взрывом и снизить трудозатраты, связанные с проверкой качества сварного шва.

Способ сварки взрывом, включающий установку заряда взрывчатого вещества (ВВ) на верхней поверхности метаемого листа, инициирование заряда ВВ и соударение метаемого листа под действием взрыва с неподвижным листом, отличающийся тем, что вдоль боковой поверхности неподвижного листа на линии, совпадающей с направлением волны детонации, рядами, по крайней мере в одной обойме из изоляционного материала, на заданном расстоянии друг от друга устанавливают стержневые датчики, выполненные высотой, увеличивающейся в направлении, перпендикулярном направлению волны детонации, с возможностью контактирования их концов с метаемым листом при инициировании заряда ВВ, фиксируют импульсы, возникающие при контактировании метаемого листа с концами датчиков для определения угла соударения свариваемых листов, скорости перемещения точки контакта метаемого листа с неподвижным листом и скорости полета метаемого листа.