Для анализа условий получения при сварке взрывом соеди­нений без повреждения металла основания и облицовки необхо­димо рассмотреть более подробно процессы распространения дето­нации и взаимодействия между продуктами детонации и металлом. В частности, представляет интерес механизм возникновения и движения в металле ударных волн.

Применяемые в технике, и в частности для сварки, взрывчатые вещества являются вторичными для инициирования процесса, в котором должны быть созданы особые условия, достигаемые взрывом детонатора или специального заряда.

Детонация протекает с постоянной, воспроизводимой скоро­стью. В идеализированной схеме процесса, идущего со скоростью/) (рис. 124), по фронту детонации предполагается разрыв непрерыв­ности, при котором впереди фронта нер аз ложившееся взрывчатое вещество имеет исходную температуру (Т0), давление (р0), плот­ность (р0) и скорость перемещения (м0). При этом То и ро опре­деляются окружающими атмосферными условиями, а и0 = 0. Для порошкообразного ВВ значение р0 существенно зависит от плотности укладки заряда. В этой схеме допускается, что непо­средственно за фронтом детонации ВВ полностью прореагировало и его объем замещен газом при температуре Т и давлении р, сжимающем газ до плотности р. Под действием давления газ приобретает скорость и, направленную вправо

Скорость детонации D зависит от природы ВВ. Обычно она находится в пределах 2000—8000 м/сек. Для одного и того же ВВ скорость D пропорциональна его плотности [118], или

D = Лро, (27)

где А — коэффициент пропорциональности.

Давление газов р, развивающееся при взрыве, зависит от скорости детонации и от соотношения плотностей инертного ВВ и продуктов его детонации:

Р = D*Ро (Р — Ро)/р - (28)

Например [118], при D — 7200 м/сек; р0 = 1,6 г/см3 и р = = 2,13 г'см3 (р ^ 1,3р0) р = 200 000 кГ/см2. Скорость потока

продуктов взрыва и ~ — D. Для ВВ. применяемых при сварке,

D = 3000 - г - 7600 м/сек и давление может достигать 150 000 кГ/см2 Лучшие результаты дают ВВ с D < 4000 - ь4500 м/сек.

В действительности взрывчатое вещество переходит из твердого в газообразное состояние не мгновенно; граница между исходным и полностью прореагировавшим веществом имеет определенную ширину — ширину зоны реакции. Если это было бы не так, то сварка взрывом, вероятно, была бы невозможна: скачко­образное повышение скорости метаемой пластины под фронтом детонации от нуля до vH приводило бы к разруше­нию металла этой пластины. Как пра­вило, чем выше скорость детонации ВВ, тем уже зона реакции. Ее ширина ко­леблется от 2—3 до 20 мм [68 ].

]2* 179

Протяженность зоны реакции может существенно влиять на условия сварки, при которых размеры самого заряда всегда огра­ничены по толщине (величиной Н, см. рис. 122, а) и нередко по ширине, например при облицовке узкой и длинной пластиной. Если размер заряда соизмерим с шириной зоны реакции, то про­дукты взрыва, расширяясь в поперечном направлении, могут уносить с собой часть заряда до того, как он успеет полностью прореагировать. Чем длиннее зона реакции, тем больше эта опас­ность. В предельном случае, когда размер заряда очень мал, дето­нация не распространяется из-за рассеяния энергии при механи­ческом уносе значительной части непрореагировавшего ВВ. Если заряд имеет форму цилиндра диаметром d, то при некотором кри­тическом диаметре dKp детонация становится невозможной. Однако и при d >• dKp диаметр заряда может существенно влиять на скорость детонации.

При достаточных размерах заряда постоянной плотности дето­нация, инициированная в какой-то его точке, распространяется от нее с постоянной скоростью с образованием в неограниченной среде сферического фронта детонации. При плоском заряде на некотором расстоянии от точки инициирования устанавливается цилиндрический фронт (рис. 125, а). В специальных схемах, на­пример при облицовке трубчатых изделий (см. рис. 122), обра­зуется плоский фронт детонации.

При плоском заряде сложной конфигурации (рис. 125, б) фронт детонации продвигается со скоростью D так, что расстояние от любой его точки до точки инициирования остается минималь­ным, например ОАВ. При этом любую точку заряда, в част­ности А, можно рассматривать как самостоятельный инициатор взрыва.

При наличии на пути детонации инертного барьера (рис. 125, в) например участка, свободного от заряда, фронт детонации раздваи­вается и огибает этот барьер [118]. Встреча сходящихся волн детонации приводит к резкой концентрации напряжений на оси АВ в расположенном под зарядом металле. Это же наблюдается в слу­чае одновременного инициирования взрыва не в одной точке, что при сварке применяется редко.

Огромные давления, развиваемые взрывом, действуют очень кратковременно (в течение микросекунд). Они по крайней мере на порядок выше обычных давлений при статическом нагружении металла. Для анализа процессов, протекающих в нем при таких давлениях и скоростях, применяют гидродинамический подход, так как металл в этих условиях приближается к квазижидкому состоянию, при котором не передаются сдвиговые напряжения.

Напряжения, возникающие на поверхности металла под дей­ствием кратковременного импульса давления перемещающегося со скоростью детонации, могут в зависимости от этой скорости распространяться в глубь металла различно. При дозвуковой

Рис. 125. Распространение фронта детонации:

а — в неограниченном плоском заряде при точечном инициировании; б—в плоском
заряде сложной формы; в — в плоском заряде с инертным барьером

V ЛГ. £ *•!

скорости детонации (D < С, где С — скорость звука в сваривае­мом металле) успевает развиваться пластическая деформация, частично поглощающая энергию, вводимую в металл при взрыве; заметная пластическая деформация распространяется в металл на ограниченную глубину, а ее интенсивность быстро затухает по мере удаления от места непосредственного действия продуктов детонации. Волна разгрузки (волна растягивающих напряжений), возникающая по окончании сжатия, вызванного давлением газо­образных продуктов детонации, при D <С имеет сравнительно небольшую амплитуду и, как правило, не опасна ни для металла, ни для сварного соединения.

В случае сверхзвуковой скорости детонации (D > С) пласти­ческая деформация не развивается. В металле при этом возни­кают резко локализованные упругие возмущения — ударные волны. Эти волны действуют на одну часть тела совершенно не­зависимо от того, что происходит в остальной его части. Они медленно затухают и могут приводить к повреждению металла.

При сварке фронт детонации обычно перпендикулярен поверх­ности металла (рис. 126) или реже направлен к ней под углом, близким к 90°. При D >> С возникает ударная волна, фронт ко­торой наклонен под некоторым углом р к поверности металла [118]. В области, ограниченной ударным фронтом, металл на­ходится в сжатом состоянии. Давление, развиваемое продуктами детонации на поверхности металла, зависит как от угла, образуе­мого ее фронтом детонации (чем меньше этот угол, тем больше давление), так и, в меньшей степени, от свойств металла. Напри­мер, при D = 6000 м/сек это давление в случае фронта детона­ции, параллельного и перпендикулярного к поверхности металла, для алюминия равно 360 000 и 195 000 кГ/смг, для железа 485 000 и 200 000 кПсм2 и для меди 510 000 и 210 000 кГ! смг [1181.

Существенно, что максимальное давление определяется свой­ствами ВВ и металла и не зависит от толщины заряда Н. Однако

а — распределение скоростей частиц (и) и напряжений (сг) в зубовидной волне сжатия; б — отражение зубовидной ударной волны от перпендикулярной к ней свободной по­верхности тела; в — отражение от свободной поверхности тела наклонной ударной волны

с увеличением Н растет продолжительность действия давления (рис. 127).

При анализе процессов распространения ударных волн обычно принимают, что твердое тело является абсолютно упругим и подчиняется закону Гука. Упругие волны в металле приводят к возмущениям, сопровождаемым только изменением объема (продольные волны), и возмущениям, связанным только с изме­нением формы, т. е. со сдвигом (поперечные волны). Скорость распространения продольных волн, равная скорости распростра­нения звука, приблизительно вдвое выше, чем поперечных (для железа соответственно 5950 и 3120 и/сек, для алюминия 6100 и 3100 м/сек).

Необходимо различать скорость распространения волны и скорость движения отдельных частиц в материале. При волне сжатия скорость частиц направлена в сторону распростране­ния волны; при волне растяжения — в противоположную сторону.

Рассмотрим плоскую волну сжатия, распространяющуюся слева направо со скоростью С (рис. 128, а), в которой скорость частиц убывает за фронтом волны на расстоянии % по линейному закону от ишх до нуля. Такое зубовидное возмущение удовлетво­рительно описывает истинное распределение скорости в ударной волне, возникающей в металле в результате детонации ВВ. Ско­рость распространения волн в металле зависит от его упругих постоянных, которые могут существенно изменяться при больших напряжениях. Однако для практических целей ее можно считать постоянной. Напряжения в металле а, возникающие в упругой волне, пропорциональны скорости частиц и. Продольная волна, проходя через любую точку тела, перемещает ее в течение корот­кого времени со скоростью, изменяющейся от пП]ах до 0, на не­которую конечную величину. Эго перемещение остается и после прохождения волны. Таким образом, все точки на пути волны оказываются смещенными на одинаковую величину, если, ко­нечно, амплитуда скорости «гаах остается постоянной, т. е. коле­бания не затухают.

При сварке взрывом могут иметь существенное значение отра­жение волн напряжения от поверхности металла и прохождение их через границу раздела разных сред, а также эффект наложения встречных волн. Плоская ударная волна с фронтом, параллельным свободной поверхности тела, отражается в виде плоской волны с одинаковой амплитудой, но с изменением знака напряжения; волна сжатия отражается в виде волны растяжения. Так как нормальные напряжения на свободной поверхности всегда равны нулю, отражение зубовидной волны сжатия можно представить как встречу двух волн противоположного знака, при которой на свободной поверхности суммарное напряжение все время остается нулевым (—а = +с) (рис. 128, б). Волна 1, придя в положение 2,

суммируется с отраженной волной 2' и затем продолжает дви­гаться справа налево, как волна растяжения 3. Если напряжение в точке А превышает критическое разрушающее напряжение металла окр, то произойдет откол по линии АВ. В условиях ди­намического нагружения с большой скоростью критическое на­пряжение значительно выше обычного предела прочности при статическом нагружении (табл. 30). В условиях динамического напряжения, по сводным данным [112], относительное удлинение пластичных металлов растет на 30—50%, а относительное сужение увеличивается на 300%. Напряжение аКр определяется допусти­мой критической разностью скоростей частиц (величиной иКр). Характерно низкое значение иКр для низкоуглеродистой стали Незначительное легирование может резко повысить икр и, как следствие, уменьшить вероятность повреждений при сварке взрывом.

Таблица 3.Q

Место откола легко определить, если известны длина волны Я, ошах и окр. При падении на свободную поверхность тела плоской продольной волны под углом а Ф 90° (рис. 128, в) возникают две отраженные волны: продольная (под углом а) и поперечная (под углом Р).

Условия перехода ударных волн через границу раздела двух сред определятся соотношением их акустических сопротивлений (произведения рС плотности металла на скорость распространения в нем звука). Акустическое сопротивление (в г/см3-см/сек) соот­ветственно равно для стали, алюминия и меди: 4,67-106; 1,75-106 и 4,28 -106.

Возможны два случая: в первом акустическое сопротивление среды, в которой волна возникает, выше, чем в среде, в которую волна переходит (р^г > р2С2); во втором случае соотношение сопротивлений обратное (PiQ <р2С2). При PiCj > р2С2 (рис. 129, а) проходящая волна имеет меньшую амплитуду напря­жений, чем падающая, а отраженная волна приобретает обратный 184

а — при переходе волны в среду с меньшим акустическим сопротивлением;
б — то же с большим сопротивлением

знак. При рхСх <р2С2 амплитуда напряжений в проходящей волне больше, чем в падающей, а отраженная волна сохраняет знак падающей (рис. 129, б). При наличии хорошего акустического контакта и равенства рхСг = р2С2 ударная волна проходит гра­ницу раздела без отражения и без изменения амплитуды.

В условиях сварки ударная волна (если она возникла) может проходить границу раздела между облицовкой и основанием, а также между основанием и опорой. Обычно акустическое сопро­тивление металла облицовки ниже сопротивления основания, например при облицовке стали медью или алюминием; при этом отраженная волна сохраняет знак падающей волны (сжатие), что благоприятно для сварки. При сварке не на стальной опоре р^ обычно больше р2С2, и при падении волны сжатия отражается волна растяжения. При достаточно большой амплитуде падающей и соответственно отраженной волн возможен откол, показанный на рис. 129, б.

При встрече зубовидных волн разного или одинакового знаков (рис. 130, а и б) происходит наложение напряжений, особенно опасное при встрече двух волн растяжения. В месте встречи мак­симальное растягивающее напряжение удваивается, что нередко приводит к разрушению металла, так как вероятность того, что 2сгтах > сткр, очень велика.

Типичные разрушения в металле при детонации находящегося в контакте с ним взрывчатого вещества показаны схематически на рис. 131, а. Трещины / вызываются резкими изменениями скоростей частиц металла в зоне инициирования. Осевая тре­щина 2 появляется при встрече ударных волн растяжения, отра­женных от боковых поверхностей образца. Откол 3 возникает

а — типичные разрушения, вызываемые действием ударных
волн; б—трещины при резком изменении толщины метаемой
пластины

при достижении критического напряжения в месте встречи па­дающей волны сжатия с отраженной волной растяжения (см. рис. 128, б). Наконец, встреча на биссектрисе угла двух волн растяжения, отраженных от боковой и нижней граней образца, вызывает угловое разрушение 4.

Встречаются еще несколько видов разрушений свариваемого изделия, специфически не связанных с действием ударных волн. Первый из них вызывается резким изменением скорости метаемой пластины из-за местного скачкообразного увеличения ее толщины (рис. 131, б) с до б2- В результате этого (при неизменной тол­щине Н слоя В В) скорость метаемой пластины v'H (см. [34]) при

переходе фронта детонации через точку А уменьшается в отно­шении - у - до о" и, наоборот, в точке В она снова резко возра­стает до v. Если разность скоростей v'H — v"H существенно пре­вышает допустимое для данного металла критическое значение (см. табл. 30), то возможно образование надрывов и сквозных трещин в точках Л и В.

При сварке на недостаточно жесткой опоре (например, на мягком грунте) или при отсутствии контакта между облицовы­ваемым изделием и опорой на больших участках возможна общая деформация изделия. Если эта деформация превосходит прогиб, допустимый в изделии при динамической нагрузке, то возможны его поломка или образование трещин. Третий вид повреждений возможен в зоне соединения облицовки с основанием при чрез­мерной скорости их соударения [128]. Появляются трещины, обычно зарождающиеся у линии соединения и идущие в металл облицовки и основанйя на глубину до нескольких миллиметров.