Магнитно-импульсная сварка. Теория энергетических материалов


В. Ф. МИНИН, И. В. МИНИН, О. В. МИНИН





                МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНАЯ СВАРКА.




ТЕОРИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ



Учебное пособие













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.79
ББК 30.61
     М61



Рецензенты:
Редчиц В. В., д-р техн. наук, профессор;
Шаров В. М., канд. техн. наук, генеральный директор
ООО «НПП «Источник»




     Минин, В. Ф.
М61       Магнитно-импульсная сварка. Теория энергетических материалов :
     учебное пособие / В. Ф. Минин, И. В. Минин, О. В. Минин - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 100 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0600-0


     Изложены физические основы магнитно-импульсной сварки, включая шовную сварку. Рассмотрены особенности холодной сварки. Материал учебного пособия будет полезен студентам и аспирантам машиностроительных специальностей.







                                                                  УДК 621.79
                                                                  ББК 30.61











ISBN 978-5-9729-0600-0   © В. Ф. Минин, И. В. Минин, О. В. Минин, 2021
                          © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

            ВВЕДЕНИЕ



     Радикальным способом замены неразъемных резьбовых соединений деталей является их сварка. В настоящее время имеется много способов сварки, интенсивно разрабатываемых рядом специализированных организаций. Известно, что разработка новых научно-технических проблем в большинстве случаев осуществляется коллективами, специализирующимися в соответствующем направлении. Однако, как показывает опыт развития науки и техники, существует множество примеров существенного вклада в развитие конкретной области, сделанного специалистами другого направления. Эта тенденция особенно ярко проявляется в наше время, когда наиболее важные разработки делаются на стыке различных областей науки и техники. Примером этого служат работы, проведенные под научным руководством профессора, доктора технических наук, лауреата Государственной премии СССР В. Ф. Минина, автора работ по созданию новых способов сварки [1, 50].
     Необходимость разработки новых способов сварки была обусловлена несколькими причинами. Прежде всего, это специфические потребности отрасли, обусловленные массовым характером производства изделий, и особые требования к качеству и структуре сварных соединений. Следующая причина обусловлена формой соединяемых деталей, типичной для изделий отрасли, особенно формой корпусных деталей. В большинстве случаев последние представляют собой тела вращения, в которых хотя бы одна из деталей имеет вид тонкостенной трубы. Соединение таких деталей часто осуществляют термическими способами сварки. В результате имеет место вредное влияние расплавления на структуру и свойства основного металла в зоне соединения, а также большой расход инертных газов. Во многих случаях достижимая произ

3

водительность сварочного процесса недостаточно высока. Указанные недостатки термических способов сварки послужили причиной тому, что ряд исследователей предпринимает попытки заменить сварку плавлением трубчатых деталей холодной сваркой, в частности, такими ее разновидностями как сварка взрывом и магнитно-импульсная сварка (МИС) [1, 44, 50]. Холодная сварка позволяет получить прочные соединения без вредного влияния расплавления. Сварка взрывом и МИС были взяты за основу при разработке новых способов сварки.

4

ГЛАВА 1


            Особенности импульсных технологий


     Сварка взрывом и МИС характеризуются высокой скоростью соударения соединяемых деталей и малой длительностью процесса сварки. Эти особенности делают их перспективными технологическими процессами для соединения широкого класса материалов, в том числе композитных, когда сохранение структуры и свойств соединяемых материалов является одним из основных требований к технологии такого соединения. Разумно эти технологии, подчеркивая их общность, называть импульсными технологиями.
     Процессы соединения при импульсных технологиях объясняются в основном с позиций совместного действия физики высоких давлений, гидрогазодинамических процессов и активации атомов контактных поверхностей перед их схватыванием. В импульсных технологиях создаются благоприятные термодеформационные условия, благодаря чрезвычайной локализации пластической деформации в тонких приповерхностных слоях, которая протекает со скоростью 10⁵-10⁶ сек⁻¹. Кратковременность процессов практически исключает возможность развития в зоне соединения рекристаллизационных процессов (при одинаковых материалах) и приводит к образованию новых фаз при разных материалах.
     Для получения качественных соединений при импульсных технологиях за время контакта должны пройти следующие процессы: активация контактных поверхностей, сближение этих поверхностей на расстояние межатомных взаимодействий, образование межатомных связей.
     Эти связи могут частично или полностью быть разрушены волновыми процессами, происходящими при соударении.

5

     При разработке технологии возникают две задачи:
       •   Подготовка поверхности под сварку;
       •   Проблема защиты зоны сварки от действия волновых растягивающих напряжений.
     Эти проблемы носят общий характер для импульсных технологий и имеют различие только по энергетическим возможностям.
     Сварка взрывом имеет в своем ресурсе практически неограниченную энергию, что без труда решает первую проблему. Поверхность под сварку взрывом не требует специальной подготовки, так как возникающий при соударении пластин кумулятивный эффект производит процесс подготовки поверхностей. Дело в том, что от этого эффекта с внутренних слоев обеих свариваемых пластин снимается слой металла, обнажая ювелирно-чистые поверхности, которые немедленно участвуют в процессе соударения. При правильной организации соударения это уникальное явление позволяет иметь устойчивое качество сварного шва.
    МИС, как правило, обладает существенно меньшей энергоемкостью, но зато вместо взрывчатого вещества (ВВ) используется легко управляемая электроэнергия (1 грамм ВВ равен 4 кДж, установка в 40 кДж эквивалентна 10 граммам ВВ по энергии).
     В этой связи при соударениях с меньшей энергией иногда приходится применять дополнительные меры по очистке поверхности, так как слои металла при кумулятивном процессе с уменьшенной энергией тоньше и для увеличения качества и надежности процесса производят обычное обезжиривание свариваемых деталей.
     В модификации метода МИС возможно осуществление очистки поверхности перед сваркой за счет протекания двух процессов - гидрогазо-динамического (кумулятивного) и электродинамического - за счет создания в зазоре свариваемых изделий при пропускании через него коммутируемых токов плазменного образования, которое взаимодействует с магнитным полем и вы

6

брасывается из зазора вместе с загрязнениями, находившимися на свариваемых поверхностях, дополнительно подготавливая тем самым поверхность для сварки при высокоскоростном соударении.
     Вторая проблема одинакова для обоих видов сварки и состоит в недопущении возникновения больших сил отрыва одной из свариваемых пластин в результате ударно-волнового процесса.
     В этой области существует значительное количество ноу-хау и патентов, которые особенно эффективно могут быть обнаружены при помощи математического моделирования этих процессов и использованы при работе с конкретными изделиями.
     Следует отметить, что начало работ в направлении создания новых способов сварки было в значительной мере вызвано необходимостью решения одной из важнейших технологических задач отрасли - сварки медного пояска со стальной трубой (далее для краткости - «сварка пояска»). Поэтому в дальнейшем будет рассматриваться в основном случай сварки пояска (несмотря на то, что результаты исследований применимы к более широкому классу нахлесточных соединений трубчатых деталей). Проблема наплавки пояска решилась многочисленными коллективами инженеров и ученых, однако приемлемых методов не нашлось, особенно для труб диаметром более 45 мм. Одной из причин этого служит создание термических напряжений в зоне сварки.
     Первоначально эти работы предполагалось осуществить при помощи сварки взрывом [1]. С энергетической точки зрения ВВ обладают практически неограниченными возможностями в технологии. Однако многие аспекты, в том числе потребность в специальных участках, психологические аспекты, ограничивают его применение, хотя такие вопросы, как автоматизация процесса, управление технологией сварки, решены достаточно полно, особенно для плоских деталей. Но использование ВВ ставит ряд проблем, и одна из главных -проблема безопасности, связанная с применением высокочувствительных инициирующих веществ, крайне нежелательных в серийном производстве.

7

     Другой проблемой, возникшей при сварке пояска, было дозирование взрывчатого вещества. Проблема заключалась в том, что при метании пояска на корпус в процессе сварки от внутренней поверхности трубы успевали приходить отраженные волны разряжения, которые иногда сильно меняли качество приварки, из-за них образовывались местные непровары. Чтобы ослабить этот процесс, труба заполнялась водой, а в центре помещалась стеклянная или бумажная пустотелая трубка.
     На основе многочисленных работ в области сварки взрывом и создания ряда макетных взрывных камер было спроектировано и изготовлено полуавтоматическое устройство для приварки ведущих поясков к стальным трубам диаметром 122 мм [1].
     На рисунке 1.1 изображен общий вид устройства [1,50,51]. Установка для взрывной обработки материалов содержит камеру, рабочий стол, приспособленный для поддержки обрабатываемого материала, и заряд взрывчатого вещества. Внутри камеры установлены электроды для подачи электрического импульса на средство инициирования взрыва. Предусмотрено средство для продвижения электродов в электрический контакт электродов со средством инициирования заряда, так что каждый электрод продвигается к последнему упомянутому средству на расстояние, равное длине электрода, отделенного от него во время взрыва. Указанное устройство было использовано для изготовления партии изделий с поясками, приваренными взрывом. Были произведены испытания, которые показали возможность этого процесса.
     Тем не менее, учитывая ранее высказанные недостатки метода, были начаты работы в направлении использования магнитно-импульсных методов для сварки поясков. Энергетические возможности этого метода намного ниже, чем у сварки взрывом. Сейчас практическое применение находят магнитноимпульсные установки (МИУ), в которых в качестве накопителей энергии служат только конденсаторные батареи. Принцип магнитно-импульсной обработки металлов (МИОМ) заключается в том, что энергия накапливается за сравни

8

тельно длительный промежуток времени в конденсаторной батарее от высоковольтного зарядного устройства, а затем выделяется в виде короткого импульса в индукторе. Время зарядки в 10⁵-10⁶ раз больше времени разрядного импульса. В результате в индукторе развиваются большие мощности, воздействующие на обрабатываемую заготовку. По величине они соизмеримы с мощностями, развиваемыми при взрывной обработке материалов.
     Для отделения конденсаторной батареи от индуктора в процессе ее заряда


и замыкания на индуктор при разрядке служит специальное коммутирующее устройство, в качестве которого в большинстве случаев используются сильно


точные разрядники различных типов.


Рис. 1.1. Установка для сварки взрывом по патенту США №4081982, «Plant for explosion working of materials», авторы Vladilen Fedorovich Minin, Vitaly Stepanovich Gambarov, Mikhail Samuilovich Kachan, Vladlen Alexeevich Okladnikov, Boris Leonidovich Troinin, Jury Alexeevich Trishin.
Основные элементы: 1 - взрывная камера,
2 - стационарное крепление камеры, 3 - основание крепления камеры, 17 - система электродов для подачи электрического импульса на средство инициирования взрывчатого вещества

9

     Таким образом, названы три основных элемента силового контура МИУ: конденсаторная батарея, индуктор и коммутатор тока. Совершенствование каждого из этих элементов в настоящее время выделилось практически в самостоятельные направления исследований, разрабатываемые как в комплексе, так и порознь довольно большим числом организаций как у нас в стране, так и за рубежом.
     В настоящее время МИС становится объектом промышленного использования. Но необходимо отметить, что процесс освоения этого способа проходит с большими трудностями. Несмотря на то, что МИС обеспечивает высокую производительность, позволяет сваривать без плавления разнородные материалы, имеет малые удельные энергозатраты, допускает полную автоматизацию и механизацию процесса, обеспечивает высокую культуру труда, во многих случаях улучшает характеристики обрабатываемых материалов, позволяет выполнять сварку в труднодоступных местах и т. п., широкому промышленному внедрению этого способа препятствует ряд нерешенных вопросов. Во-первых, низкая стойкость и сложность изготовления рабочих органов -индукторов. Во-вторых, необходимость тщательной зачистки свариваемых поверхностей перед сваркой. В-третьих, узкий технологический диапазон способа. Сравнительно надежно освоена сварка тонкостенных трубок только диаметром 10-15 мм.
     Несмотря на то, что этот метод сварки очень слабо освещен в литературе, из опубликованных данных можно выделить наиболее существенные факторы, определяющие эффективность сварочного процесса. Под эффективностью магнитно-импульсной сварки будем понимать отношение массы фактически приваренного материала к затраченной энергии накопителя, т. е.:

Intpldd

    K ⁼-----
CU '


(1.1)

где К - коэффициент сварочного процесса, г/Дж; р - плотность металла, г/см³;

10