Параметры эгого процесса выбираются так, чтобы, с одной стороны, получить прочное соединение с проваром по всей поверх­ности, а с другой — избежать повреждения металла облицовки и основания. По существу этот сложный процесс контролируется всего тремя параметрами: скоростью детонации D; нормальной скоростью vH, развиваемой метаемой пластиной при соударении с основанием, и углом у их встречи при соударении (см. рис. 122, б). Угол у, связанный с vH и D, не является полностью независимым. Технологически режим сварки взрывом удобно задавать скоростью

детонации D, отношением г = Ро-— (где 8М — толщина метае-

Рм®м

мой пластины) и величиной сварочного зазора h.

Скорость детонации — важнейший параметр процесса. Она определяется типом ВВ, его плотностью, которая при использо­вании порошкообразных ВВ может сильно изменяться, и толщи­ной слоя, в особенности, если она мала и приближается к крити­ческой, при которой детонация не распространяется. Скорость D должна обеспечивать образование кумулятивной струи по воз­можности без возникновения опасных для металла ударных волн (т. е. при D <С). Рассмотрим процесс образования кумулятив­ной струи.

Если два плоских потока идеальной (с нулевой вязкостью) несжимаемой жидкости, движущиеся со скоростью D <С, встре­чаются под углом а (рис. 132, с), то часть потока АВ образует кумулятивную струю, движущуюся навстречу основному потоку со скоростью, близкой к 2D. При этом линия ABD, перепендику - лярная к ламинарному потоку, принимает форму A'B'B"D'.

fioiidrct/qOM, Ц ни пгнотзл омтэог}оиз т-вцтэРБроп гшэпт от>эя В точке соударения потоков — критической точке О создается максимальное давление ps, которое постепенно понижается в соот­ветствии с нанесенными пунктиром изобарами. Если левее точки О поток движется влево, то правее нее он идет вправо, а в крити­ческой точке он как бы разрывается.

При быстром встречном движении металлических полос в про­цессе сварки взрывом, в том случае, если скорость этого движения (близкая к D) достаточна для создания в критической точке дав­ления, значительно превосходящего прочность металла, возмож­ность металла сопротивляться пластической деформации практи­чески исключается (ра ^ оТ) и металл как бы находится в ква - зижидком состоянии. В результате этого при соударении обра­зуется кумулятивная струя, состоящая из частиц металла обеих пластин. Таким образом, для образования кумулятивной струи необходимо, чтобы ps > рКр или vH > vKp. рКр и vKp — соответ­ственно минимальные значения давления и скорости соударения, достаточные для перехода металла в квазижидкое состояние.

Масса металла ttij, выбрасываемого кумулятивной струей,

зависит от угла у; с его увеличением т,- растет:

Of I г і ш кг і

гп/ = т (1 — cos. (29)

, і і '

При D > С в точке соударения возникает ударная волна сжа­тия, которая отражаясь от свободной поверхности потока в виде волны растяжения, может в определенных условиях вновь разде­лить поток на два — происходит упругое соударение встречаю­щихся потоков. И при D >> С, если угол у больше некоторого критического значения уКр, зависящего от D и от свойств металла, также возможно образование кумулятивной струи, способствую­щей осуществлению сварки взрывом [181]. Однако во избежание появления ударных волн для практических целей сварки рекомен­дуются только ВВ с D <С [128, 192]. Однако в первоначальных опытах по сварке применяли ВВ и со сверхзвуковыми скоростями детонации [128].

Выше была рассмотрена симметричная схема: две одинаковые пластины встречались в результате детонации симметрично распо­ложенных зарядов ВВ. При угловой схеме сварки, когда ме­таемая пластина значительно тоньше основания, кумулятивная струя может отклоняться от биссектрисы угла у, а количество металла облицовки и основания, образующего струю, неодина­ково. Обычно металла облицовки-в струе больше, чем металла основания. Так, при облицовке стали медью в кумулятивной, струе содержится всего несколько процентов железа.

Образование волн в соединении (см. рис. 136) связывают обычно с поведением кумулятивной струи. Во всяком случае* образование волн — гидродинамическое явление [601. Единой точки зрения по этому вопросу нет. В одной из работ [181]. образование волн объясняется неустойчивостью кумулятив­ной струи, приводящей к ее периодическим колебаниям. Частота таких колебаний (если они действительно происходят) очень высока. Например, при шаге волн в 1 мм и D — 4000 м/сек она должна достигать 4 мгц. В работе [128] волнообразование свя­зывается с возмущающим действием тангенциальной составляющей скорости соударения метаемой пластины с основанием. А. Бахрани и др. рассматривают процесс волнообразования с упрощающим допущением, что кумулятивная струя образуется только за счет металла метаемой пластины (рис. 132, б) [167]. Учиты­вая квазистационарный характер процесса, принимаем подвиж­ную систему координат с началом в критической точке О. Всё скорости относительно подвижного начала координат выражены через скорость соударения v. В результате огромного давления в точке О основание вдавливается, а так как металл считается несжимаемым, то впереди по направлению сварки должен обра­зоваться бугор А. Вытеснению металла в этом направлении спо­собствует развитие тангенциальных сил, вызываемых встречным

движением основания ^со скоростьюи кумулятивной струи

. Бугор постепенно увеличивается,

жается к точке О и отклоняет кумулятивную струю (рис. 132, о). В какой-то момент времени основной поток срезает часть бугра и образует «хвост» В (рис. 132, г). После этого критическая точка О переходит на вершину бугра, сминает его переднюю часть и обра­зует «хобот» С (рис. 132, д), а затем весь цикл повторяется с обра­зованием впадины на основании (рис. 132, ё). Исходя из этой схемы можно ожидать, что в «хвосте» В будет преобладать металл метаемой пластины, образующий кумулятивную струю, а в «хо­боте» С — металл основания, вытесняемый из зоны соударения. Для проверки этой гипотезы наносили тонкий слой меди на по­верхность основания и слой никеля на метаемую пластину [167]. Металлографически было обнаружено, что в «хвосте» преобла­дает никель, а в «хоботе» — медь. Изложенная гипотеза не объяс­няет волнообразования при сварке по симметричной схеме (см. рис. 132, а), а также появления волн на наружной поверхности метаемой пластины, где кумулятивной струи нет [170].

Волнообразное соединение возможно и в условиях, исклю­чающих кумуляцию. Такое соединение наблюдали между отдель­ными листами алюминия в плотно собранном пакете, подвергну­том нормальному к его поверхности удару телом, летящим со сверхзвуковой скоростью [212].

А. А. Дерибас и др. определили критические условия волно­образования при сварке по угловой схеме ряда металлов [60]. В частности, для меди толщиной 3 мм при Н = 3 мм (гексаген) волн в соединении не было при а* < 10°; о* <200 м/сек-, v*ce < < 0,95 км/сек ги р* < 40 000 кГ/см2; для стали Ст. З при Н — — 4,5 мм; а* = 5°; vH = 260 м/сек; v*ce — 1,9 км/сек и р* = = 145 000 кГ/см2. При цсв = 3,5-к4 км/сек критический угол а* = 0, что подтверждает возможность сварки в этих условиях и по параллельной схеме.

Продолжим анализ влияния скорости D при сварке. При малом а (см. рис. 122, е) vce ^ D. Если D < С, а следовательно, и vce <С, то в зоне соударения успевает пройти пластическая деформация (образование бугра А, см. рис. 132, б), распростра­няющаяся в металле со скоростью звука. Наличие такой дефор­мации — одно из необходимых условий сварки взрывом. Ее роль сводится, по-видимому, к следующему:

а) адиабатическому нагреву поверхностных слоев метаемой пластины и основания, облегчающему образование соединения и его сохранение после прекращения действия давления продук­тов детонации, обычно продолжающегося до 10 - 10е сек;

б) поглощению части энергии взрыва и, как следствие, умень­шению упругой энергии, вводимой в основание при соударении, что снижает вероятность повреждения металла и сварного соеди­нения растягивающими напряжениями, возникающими по окон­чании действия напряжений сжатия.

При образовании кумулятивной струи в критической точке потоки раздваиваются с обнажением ювенильных поверхностей металла, на которых, вероятно, создается достаточно активных центров для сварки в Твердом состоянии. Из этого следует, что наличие кумулятивной струи должно было быть достаточным усло­вием (при D <С) для получения соединения. Однако имеются факты, противоречащие этому предположению. Во-первых, за­грязнение поверхности металла некоторыми веществами делает сварку взрывом практически невозможной, несмотря на нормаль­ную волнообразную деформацию в зоне соударения, свидетель­ствующую о протекании процесса кумуляции. Предварительная пескоструйная очистка металла также затрудняет сварку взры­вом. До сих пор не объяснено, как пленки загрязнений с наруж­ной поверхности АА' (см. рис. 132, а) или внедрившиеся в нее частицы песка могут попасть на внутреннюю поверхность раз­дела В'В", где фактически происходит сварка.

Возможно, что в некоторых случаях пластическая деформация наряду с кумулятивной струей может непосредственно влиять на формирование сварного соединения, а иногда при отсутствии кумулятивной струи быть полностью ответственной за его образо­вание (см. рис. 123).

Исследование пластической деформации в зоне соударения по искажению координатной сетки показало, что прочное соеди­нение образуется только там, где соударение сопровождается взаимным сдвигом поверхностных слоев метаемой пластины и ос­нования. При толщине облицовки 3 мм этот сдвиг достигал 0,25 мм. Там же, где взаимный сдвиг отсутствовал, и в частности в зоне инициирования взрыва, прочного соединения не было получено. Это не связано с недостаточной скоростью соударения (малым зазором) в зоне инициирования. В опытах [128], проведенных при начальном угле а = 0° с изменением зазора h0 от 0 до 20 мм и толщины заряда Я от 5 до 35 мм (D — 7000 м/сек) в зоне ини­циирования, не было получено соединения даже при высокой скорости соударения. Очевидно, что «лобовой» удар метаемой пластины в основание без тангенциальной составляющей скорости и сдвиговой деформации в зоне соединения не приводит к сварке.

Если взаимный сдвиг в зоне соударения, по-видимому, обяза­телен для получения прочного соединения, то волнообразная его форма для этого не обязательна. Общая высота волны от гребня до впадины обычно колеблется в пределах 0,1—5 мм, а ее длина от 0,25 до 6 мм. Изменяя параметры процесса, высоту волн можно уменьшить или увеличить и даже получить сварное соединение без волн [168]. Такое соединение может иметь вполне удовлетво­рительную прочность [181]. Например, при облицовке низко­углеродистой стали аустенитной (6 = 3 мм) предел прочности на отрыв составлял 45—70 кГ/мм2 для волнообразного соедине­ния и 40—55 кГ/мм2 для соединения без волн.

Можно предположить, что взаимный сдвиг способствует луч­шей очистке поверхностей, а также является энергетическим фак­тором в процессе сварки. Если это так, то разноименные неохотно схватывающиеся металлы с низким коэффициентом трения будут труднее свариваться взрывом. Эта гипотеза нуждается в допол­нительном экспериментальном изучении, в результате которого может оказаться более правильным отнесение сварки взрывом не к Р, Т, а к Р, Т, /-процессам, в которых участвует трение. Возможная роль трения при сварке взрывом отмечается и в ра­боте [221 ] при образовании соединения между тонкими листами алюминия в результате удара, осуществленного со сверхзвуко­вой скоростью.

Вторым главным параметром сварки взрывом (первый это D) является скорость соударения vH. Давление ps в очаге сварки (точка О, см. рис. 132, а) определяется величиной vH и мало зависит от массы соударяемых пластин. Скорость соударения зависит от рода ВВ (с увеличением D растет давление продуктов детонации, увеличивается импульс щ повышается скорость vH)

р0Н

и от отношения масс заряда и метаемой пластуну г = ^ ,

а также от зазора h. Скорость vH ориентировочно можно опреде­лить из равенства количества движения импульсу силы. Импульс силы J, отнесенный к единице поверхности метаемой пластины,

J = pdt. (ЗО)

s, і 1 о

Этот импульс равен площади, заключенной на рис. 127 между осью абсцисс и соответствующей кривой р — / (/). Так как дав­ление р зависит от D и растет с увеличением плотности ВВ (см. [28]), а длительность его действия — с толщиной заряда Я, то в первом приближении величина импульса

J = АНр0, (31)

где А — коэффициент, зависящий от зазора h и от D.

Из равенства

mvH = J (32)

следует, что

V,,

Таким образом, для заданного ВВ и определенного значения И скорость метаемой пластины, в первом приближении, пропор, циональна безразмерному параметру г (отношение масс взрывча­того вещества и метаемой пластины).

Ha vH влияет величина зазора h, так как импульс силы нара­стает, хотя и быстро (за микросекунды), но не мгновенно. Если зазор мал, то соударение метаемой пластины с основанием про­изойдет через tx (см. рис. 127) и импульс Jх будет равен пло­щади OpsAtx. При увеличении зазора до величины, соответствую­щей времени t%, импульс увеличится до У 2 = OpsBt2. Соответ­ственно возрастет и скорость vH. Дальнейшее увеличение зазора приведет к незначительному повышению импульса силы. Итак, для того чтобы метаемая пластина имела при соударении необходи­мую скорость vH, зазор h должен иметь определенную минималь­ную величину. Однако при обычных схемах процесса стабиль­ные условия сварки достигаются, если все его параметры, и в частности vH, колеблются в узких пределах, причем vH > 0.

Из уравнения (34) следует, что при увеличении Ьм для обеспе­чения заданной скорости vH необходимо пропорционально повы­шать Н; при этом сохраняется неизменное значение г. Из рассмо­трения кривых на рис. 127 следует, что с увеличением Н растет время, необходимое для обеспечения стабильного импульса силы, поэтому оптимальный зазор с увеличением толщины метаемой пластины также растет.

На основе законов газовой динамики получена расчетная зави­симость vH от D и г и после введения коэффициента 1,2 пред­ложена эмпирическая формула [63]

В практическом диапазоне г (0,6—1,2) отношение ~ =

= 0,16-^0,25 (для г — 1 оно равно 0,24). В формуле (35) ьн со­ответствует зазору h, достаточному для полного разгона метаемой пластины.

При малой скорости vH соединение получается непрочным или провар отсутствует полностью (рис. 133, а) [128], получен­ная минимальная скорость vH порядка 1500 м/сек из-за недоста­точной точности расчетных предпосылок преувеличена [170]. Более точные определения показали, что для сварки стали доста­точна скорость vH ^ 500—700 м/сек [216].

Скорость соударения зависит от зазора h. При h = 0 ско­рость vH равна нулю для любого Н и сварки, как правило, не про­исходит. Чрезмерная толщина заряда (большое г) или большой зазор ухудшают качество соединения. При очень высокой vH в облицовке и основании возможны трещины. При очень большом зазоре вообще не происходит сварки. Б. Кроссленд считает это результатом экстремальной зависимости vH — f (h), установленной им экспериментально (при h яь vH = vHшах).

Оптимальная скорость vH зависит в основном от рода свари­ваемых металлов. Для мягких и пластичных металлов она ниже, чем для твердых.

При сварке по угловой схеме (см. рис. 122, а) на ее резуль­таты влияет исходный угол а (рис. 133, б). При малом а и обычно принятом зазоре h0 в вершине угла (2—3 мм) сварочный зазор даже на большом расстоянии от точки инициирования недоста­точен. В результате этого малы скорость соударения и угол у — сварка получается дефектной. При чрезмерно &>лыпом а по мере удаления от точки инициирования зазор h быстро становится больше допустимого.

Однако угол а имеет лишь косвенное значение. В работах [128] и [60] показана возможность получения прочного волно­образного соединения при а = 0 (т. е. при сварке по параллель­ной схеме) в случае достаточной скорости D и предварительного отгиба конца метаемой пластины в месте установки детонатора. Отгиб осуществлялся на длине около 150 мм на угол 2°. Свароч­ный зазор на участке параллельного расположения метаемой пластины и основания составлял в проведенных опытах 6—8 мм. Параллельная схема позволяет сохранить постоянство парамет­ров процесса по всей облицовываемой поверхности вне зависимо­сти от ее размеров при условии, что зазор h везде одинаков и не из­меняется в ходе сварки, например, из-за податливости опоры. Исключением является не-

принципиальное преимущество параллельной схемы по сравнению с первоначально предложенной угловой схемой.

Изложенное позволяет сформулировать основные условия по­лучения при сварке взрывом прочных соединений: а) скорость детонации не должна быть выше скорости распространения звука в металле с тем, чтобы обеспечить пластическую деформацию в зоне соединения и избежать ударных волн; б) скорость соударе­ния должна лежать в определенных пределах: vH mln < vH < < v„max> в) скорость соударения должна иметь тангенциальную составляющую (vm), обеспечивающую взаимный сдвиг метаемой пластины и основания при их соударении; г) соединяемые поверх­ности перед сваркой должны бьггь чистыми (в особенности по орга­ническим загрязнениям), так как ни действие кумулятивной струи, ни взаимная сдвиговая деформация при соударении полностью не исключают вредного влияния таких загрязнений.