Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Основные параметры сварки взрывом и особенности воздействия ультразвука на материалы и сварные соединения 15
1.1 Основные схемы и параметры сварки металлов взрывом 15
1.2. Природа, свойства и источники ультразвуковых колебаний 35
1.3. Анализ влияния параметров ультразвуковой волны на структуру и свойства обрабатываемых и свариваемых материалов 48
1.4. Цель и задачи исследования 61
ГЛАВА 2. Материалы и методы исследования 62
2.1. Основные материалы, применяемые в исследовании 62
2.2. Схемы сварки взрывом с применением ультразвука 64
2.3. Методика определения скорости детонации 69
2.4. Оценка свойств и структуры сваренных взрывом соединений 71
2.5. Методика определения сдвиговых деформаций 77
2.6. Статистическая обработка экспериментальных данных 81
Выводы к главе 2 83
ГЛАВА 3. Исследование влияния воздействия ультразвуковых колебаний на стуктуру и свойства соединений при сварке взрывом 85
3.1. Эффекты, обнаруженные при воздействии ультразвука на материалы в процессе сварки взрывом 85
3.2. Исследование влияния воздействия ультразвуковых колебаний на структуру и свойства сваренных взрывом соединений
3.2.1. Исследование влияния кинематических параметров сварки взрывом и ультразвуковой обработки на структуру и свойства полученных соединений 91
3.2.2. Исследование влияния частоты и амплитуды УЗ колебаний 102
на структуру и свойства сваренных взрывом соединений 102
3.3. Исследование влияние ультразвука на тонкую структуру и свойства меди при сварке взрывом 108
Выводы к главе 3 115
ГЛАВА 4. Изучение характера пластического течения металла околошовной зоны при сварке взрывом с одновременной ультразвуковой обработкой 116
4.1. Особенности пластического деформирования металла околошовной зоны при сварке взрывом под воздействием УЗ колебаний 116
4.2. Исследование влияния частоты и амплитуды УЗ колебаний на остаточную сдвиговую деформацию медных и алюминиевых соединений 121
4.3. Определение работы сдвиговой деформации и энергии ультразвуковых колебаний, передаваемой акустическим источником 128
Выводы к главе 4 132
ГЛАВА 5. Разработка практических рекомендаций получения сваркой взрывом с одновременной ультразвуковой обработкой высококачественных композитов электротехнического назначения 133
Выводы к главе 5 145
Общие выводы 146
Список использованной литературы 148
- Анализ влияния параметров ультразвуковой волны на структуру и свойства обрабатываемых и свариваемых материалов
- Методика определения сдвиговых деформаций
- Исследование влияния воздействия ультразвуковых колебаний на структуру и свойства сваренных взрывом соединений
- Исследование влияния частоты и амплитуды УЗ колебаний на остаточную сдвиговую деформацию медных и алюминиевых соединений
Введение к работе
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. Трыкова, 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 около шовной 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. Клубовича, А. В. Кулемина, В. Л. Ланина, И. В. Петушко, Л. Л. Силина, А. И. Трофимова, В. Н. Хмелева, Ю. В. Холопова, М. Carbonia, F. Uzuna, 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 СВ. 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:
-
Исследовано влияние схемы распространения УЗ колебаний на структуру и свойства свариваемых взрывом соединений.
-
Исследовано совместное влияние параметров сварки взрывом и ультразвуковой волны на структуру и свойства полученных композитов.
-
Изучены деформационные особенности характера пластического течения металла околошовной зоны при сварке взрывом с одновременным воздействием УЗ колебаний.
-
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 структуры и свойств сварных соединений в условиях сварки взрывом с одновременной УЗО, проявляющийся в увеличении прочности соединения, микротвердости и существенном уменыне-
ний 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 «ВГАЗ-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), оптическую микроскопию (OLYMPUS ВХ61, Zeiss Axiovert М40), микротвердомер METKON DUROLINE-M, рентгенострук-турный анализ (ДРОН-3), осциллограф Tektronix DPO 2024, электронно-счетные частотомеры 43-63, а также использования специализировано го 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,
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 них 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.
Анализ влияния параметров ультразвуковой волны на структуру и свойства обрабатываемых и свариваемых материалов
Сварка взрывом (СВ) входит в класс механических процессов сварки давлением и осуществляется под действием кинетической энергии соударения свариваемых частей, в которую последовательно трансформируются химическая энергия превращения заряда взрывчатого вещества (ВВ): в газообразные продукты взрыва и механическую энергию расширения последних [1]. Как и во всех сварочных процессах этого класса, соединение при СВ образуется вследствие совместной пластической деформации контактирующих слоев металла [2], вызывающей двухстадийную топохимическую реакцию [3-5], а его конечные свойства определяются степенью, характером и временем деформации.
Как и любой другой процесс соединения металлов в твердой фазе процесс сварки взрывом характеризуется тремя основными параметрами давлением, временем и температурой. Сварка взрывом логически вписывается в круг известных способов, органически их дополняя и занимая верхний угол диаграммы «давление р - температура Т - время т», для которой характерны экстремально высокие давления и малые времена (рис. 1.1) [6, 7]. Другие способы располагаются значительно ниже.
Для ряда конструкций и сочетаний металлов способ сварки взрывом -единственно приемлемое технологическое решение, т. к. он позволяет получить качественные соединения, широко используемые в различных отраслях промышленности для работы при статическом, динамическом и знакопеременном нагружениях, в условиях глубокого вакуума, высоких давлений, низких и высоких температур, агрессивных сред и других условиях, при сравни Кузьмин Е. В. Кандидатская диссертация Глава Области параметров различных способов сварки в координатах р, Т, г [6] тельно низкой себестоимости технологического процесса, не требующего применения сложного или специального оборудования [10-17].
При сварке взрывом соединение образуется под действием высокого давления без внешнего нагрева благодаря интенсивному пластическому течению металла в зоне шва, обеспечивающему образование физического контакта и схватывание металла. Процесс сварки протекает практически мгновенно, вследствие чего выделяющееся при деформации тепло не вызывает развития диффузионных процессов. Поэтому, а также из-за упрочнения металлов у границы раздела и волнообразного профиля последней прочность полученных соединений, как правило, превышает прочность свариваемых металлов.
К настоящему времени известны сотни технологических схем сварки взрывом, главным отличительным и одновременно объединяющим признаком которых является наличие разгоняющего действия продуктов детонации взрывчатого вещества на метаемый элемент и его косое соударение с другими (одним или несколькими) свариваемыми элементами. Все технологиче Кузьмин Е. В. Кандидатская диссертация Глава 1 ские схемы сварки взрывом слоистых композиционных материалов (СКМ) различной конфигурации можно разделить на следующие группы [10, 18]:
Основные технологические схемы изготовления сваркой взрывом плоских биметаллических и многослойных СКМ представлены на рис. 1.2.
Наиболее широко применяемой в практических целях схемой сварки СКМ является плоскопараллельная (рис. 1.2, а), с помощью которой получают заготовки с различным сочетанием слоев металлов и толщин. Угловые схемы (рис. 1.2, б, в, д) обычно используются для специальных случаев, научных целей и отличаются сложным характером изменения кинематических параметров, связанных с наличием переменного зазора. Многослойные СКМ получают тремя принципиальными методами: с помощью одновременной схемы одним (рис. 1.2, г, д) или двумя симметрично расположенными зарядами ВВ (рис. 1.2, з, и). Один из возможных технологических способов получения волокнистых металлических композиционных материалов - сварка взрывом по плоскопараллельной схеме с расположением обычно нескольких чередующихся слоев волокон и матрицы (рис. 1.2, ж).
К настоящему времени, несмотря на разнообразие технологических схем, в их основе лежат две принципиальные схемы получения металлических слоистых композиционных материалов плоской конфигурации: угловая и параллельная (рис. 1.3).
С помощью наиболее распространенной схемы сварки взрывом с параллельным расположением пластин (рис. 1.3, а) можно получать заготовки площадью от 1 см до 20 м различного сочетания металлов [10, 13, 17-22]. Особенностью плоскопараллельной схемы является удобство регулирования Кузьмин Е. В. Кандидатская диссертация семи основными параметрами соударения, обеспечения их стабильности в пределах свариваемой площади и т. п.
Базируясь на представлениях о сварке взрывом как о твердофазном процессе, параметры условно разделяют на две группы [10]: 1) параметры, описывающие исходные условия сварки и внешние процессы, обеспечивающие разгон и соударение свариваемых тел; 2) параметры, описывающие внутренние (собственно сварочные) процессы и явления, протекающие в соударяющихся металлах и приводящие к их схватыванию.
В группу параметров, описывающих исходные условия сварки и внешние процессы, входят: - установочные параметры (определяются выбранной схемой процесса сварки); - параметры заряда ВВ; - кинематические параметры (определяют конфигурацию косого соударения); - параметры свариваемых материалов.
В подгруппу установочных параметров, определяющих исходное взаимное расположение свариваемых пластин в пакете с помощью установочного угла осо (при параллельной схеме осо=0) и расстояния (зазоры) h между пластинами (см. рис. 1.3), а также размеры краевых нависаний метаемой пластины над неподвижной, для уменьшения или устранения так называемых краевых непроваров, появление которых в основном связано с боковым разлетом ПД ВВ, вызывающим снижение импульса давления на периферийных участках заготовки.
Методика определения сдвиговых деформаций
Выбор частоты/ колебаний производится с учетом толщины и свойств свариваемых материалов и при УЗС обычно не превышает 40 кГц. С повышением частоты растут потери энергии колебаний на пути их передачи к месту сварки. Поэтому при сварке толстостенных деталей целесообразнее применять УЗ колебания более низкой частоты. Повышение частоты используют, как один из приемов, позволяющий понизить амплитуду , колебаний без изменения акустической мощности [113, 140].
Резонансные характеристики колебательных систем, снятые при различных режимах сварки, позволяют определить акустико-механический КПД системы. На рис. 1.26 приведены резонансные характеристики колебательной системы с продольно-поперечной схемой волноводов. Кривая 1 характеризует потери мощности системы Рэ в преобразователе в зависимости от частоты / Кривая 2 показывает изменение Рэ в режиме сварки, а кривая 3 - в режиме холостого хода. Отрезок ВС выражает мощность электрических потерь, а отрезок АВ - мощность механических колебаний системы. Кузьмин Е. В.
В работе [113] представлены результаты исследования влияния частоты /и амплитуды , на прочность соединения Рср при УЗ шовной сварке алюминия (рис. 1.27). Кривые характеризуются максимальным значением проч Кузьмин Е. В. Кандидатская диссертация Глава 1 ности соединения на срез в узкой полосе частот 24 кГц. Оптимальной скорости сварки VCB = 3 м/мин соответствует максимальная прочность шва. При скоростях, меньших оптимальной, прочность сварного шва уменьшается из-за чрезмерно длительного воздействия УЗ колебаний на свариваемые детали, а при VCB больших оптимальной - времени для воздействия ультразвуком недостаточно.
Влияние амплитуды колебаний на свойства сварных соединений у многих авторов имеет противоречивый характер [113, 137, 139, 140, 170]. На основе многочисленных экспериментальных данных Л.Л. Силиным установлено [140], что в зависимости от свойств и толщины свариваемых материалов значение амплитуды должно находиться в пределах от 5 до 25 мкм. Для каждой конкретной пары металлов зависимость прочности соединения на срез от амплитуды колебаний имеет свое оптимальное значение. Например, при УЗС алюминиевого сплава АМгб толщиной 5 = 0,5+0,5 мм наибольшая прочность соединения получена при = 17 мкм (рис. 1.28). Дальнейшее увеличение , приводит к снижению прочности и даже разрушению соединения, а при , 6 мкм сварное соединение вообще не образуется.
Автором [113] показано влияние амплитуды колебаний на УЗС в «чистом виде», т. е. при постоянной электрической мощности акустической системы. Для этой цели были использованы УЗ колебательные системы с различными коэффициентами усиления от Ку = 2 до Ку = 8. Результаты исследо Кузьмин Е. В.
Влияние амплитуды колебаний на прочность на срез Рср соединения меди 5 = 0,2+0,2 мм при УЗС [113] Наиболее полная оценка мощности (энергии ультразвука), необходимой для образования сварного соединения, дана в работе Ю.В. Холопова [113]. В зависимости от частоты/колебаний, механических свойств свариваемого материала (предела текучести от, модуля сдвига G) и его толщины 5 расчетная формула для определения мощности Рсв ультразвуковой волны, которую необходимо ввести в зону сварки:
Расчетные зависимости мощности Рсв от площади контактирования SCB и толщины 5 свариваемых деталей приведены на рис. 1.30, где штриховая кривая показывает реальную зависимость Рсв.
Исследованию влияния времени сварки tCB на прочность сварных соединений при УЗС посвящено достаточно много работ [113, 139, 140, 155-159, 169, 203, 204]. На рис. 1.31 приведены типичные зависимости прочности соединения от времени сварки при различных значениях амплитуды УЗ колебаний.
Полученные зависимости прочности на срез Рср от времени сварки tCB можно разделить на три характерные участка. На начальном участке время сварки явно недостаточно, чтобы возникли узлы схватывания. Это время зависит от толщины и свойств свариваемых материалов, поверхностных пленок, амплитуды колебаний, мощности УЗ колебательной системы и других факторов. Участок активного нарастания прочности соединения обусловлен образованием прочных металлических связей. На третьем участке происходит стабилизация прочности соединений независимо от изменения в некоторых пределах времени сварки [113].
Аналогичный характер изменения прочности соединения получен в опытах по исследованию влияния контактного давления при различных значениях амплитуды колебаний в процессе УЗС медных образцов (рис. 1.32). Кузьмин Е. В.
Установлено, что с увеличением контактного давления FCB наблюдается рост прочности соединения Fcp и при достижении оптимальной величины FCB наступает стабилизация прочности, при которой изменение амплитуды колебаний в достаточно широком диапазоне также не оказывает существенного влияния на ее величину. Увеличение амплитуды приводит к снижению оптимального значения FCB, а, следовательно, наблюдается и тенденция к снижению прочности сварного соединения [113].
Проведенный анализ литературных данных показал, что применение ультразвуковой обработки материалов в процессе сварки взрывом сопровождается рядом уникальных эффектов, улучшая качество получаемых соединений. Однако, детальных исследований влияния амплитуды и частоты ультразвуковых колебаний, типа кристаллической решетки металлов, процесса деформирования металла в окрестностях точки контакта и прочих параметров на структуру и свойства зоны соединения проведено не было.
Исследование влияния воздействия ультразвуковых колебаний на структуру и свойства сваренных взрывом соединений
Первые результаты опытов показали, что одновременное воздействие УЗ колебаний на свариваемые взрывом материалы оказывает существенное влияние на структуру и свойства сваренных взрывом соединений. Наибольшие изменения структуры и свойств соединений отмечаются при воздействии встречно-направленных продольных УЗ колебаний относительно направления сварки взрывом [220].
Установлено, что при воздействии УЗ колебаний, как в стальных, так и в медных образцах наблюдается существенное уменьшение параметров волн, увеличение прочности соединения и повышение микротвердости металла околошовной зоны по сравнению с контрольными образцами, сваренными без применения ультразвука. Так, при воздействии встречно-направленных УЗ колебаний параметры волнового профиля границы соединения стальных образцов уменьшились в два раза и составили 2а 0,06 мм, X 0,17 мм, в то время как на контрольных образцах получили размах волны 2а 0,14 мм и длину волны X 0,33 мм (рис. 3.1, а,б).
Аналогичный эффект проявился и при сварке взрывом медных образцов с воздействием ультразвука: при действии встречно-направленных УЗ колебаний размах волны составил 2а 0,07 мм длина волны X 0,25 мм против параметров волн 2а 0,17 мм и X 0,37 мм на контрольных образцах (рис. 3.1, в, г).
Механические испытания на отрыв слоев показали, что наибольшие значения прочности 70тр получены при действии встречно-направленных УЗ колебаний: так, среднее значение прочности для стальных образцов с УЗО составляло 70тр = 457 МПа, в то время как прочность соединения слоев в контрольных образцах 70тр = 420 МПа. Аналогичная ситуация наблюдалась и при сварке взрывом с УЗО медных образцов - 70тр = 276 МПа, против 249 МПа в контрольных образцах. Следует отметить, что при действии перпендикулярно-направленных УЗ колебаний прочность соединения меньше по сравнению с действием встречно-направленных УЗ колебаний (рис. 3.2).
Воздействие УЗ колебаний в условиях сварки взрывом приводит к некоторому увеличению значений микротвердости HV металла, измеренной в непосредственной близости от линии соединения как стальных, так и медных образцов по сравнению с контрольными: в стальных образцах микротвер-дость возросла с 212 до 280 кГс/мм при действии встречно-направленных продольных УЗ колебаний, а в медных - с 140 до 195 кГс/мм" (рис. 3.3).
Микроструктура границы сваренного взрывом соединения СтЗ+СтЗ: а - встречно-направленные продольные УЗ колебания; б - перпендикулярно-направленные продольные УЗ колебания; в - сварка взрывом без применения ультразвука;
Проведенными металлографическими исследованиями зоны соединения стальных образцов установлено, что как при сварке взрывом с воздействием УЗ колебаний, так и без них, граница соединения имеет ярко выраженный волновой профиль с минимальным количеством оплавленного металла, сосредоточенного у вершин волн. Наибольшие значения параметров Кузьмин Е. В.
Кандидатская диссертация Глава N EO-i "}&v Рис. 3.5. Микроструктура границы сваренного взрывом соединения М1+М1: а - встречно-направленные продольные УЗ колебания; б - сварка взрывом без применения ультразвука волн наблюдались на образцах без применения ультразвука (рис. 3.4, а), а наименьшие - при действии встречно-направленных продольных УЗ колеба Кузьмин Е. В. Кандидатская диссертация Глава 3 ний (рис. 3.4, б); при действии перпендикулярно-направленных продольных УЗ колебаний наблюдается чередование больших и малых волн с прямолинейными участками небольшой протяженности (рис. 3.4, в) [220].
При сварке взрывом медных образцов воздействие УЗ колебаний принципиально меняет волновой профиль зоны соединения, форму и структуру оплавленных участков: на границе соединения образуются волны неправильной формы с тонкой прерывающейся прослойкой оплавленного металла, вытянутой вдоль линии соединения (рис. 3.5, а), в то время как контрольные образцы имеют четкий синусоидальный профиль волны с треугольно-трапецеидальной формой оплава, вокруг центра кристаллизации которого расположены игольчатые дендриты (рис. 3.5, б) [220].
Поскольку максимальный эффект от воздействия ультразвука наблюдается при его встречно-направленном приложении относительно направления сварки взрывом, в дальнейших опытах использовали именно эту схему.
Полученные на первом этапе проведенных исследований результаты (см. п. 3.1) в области сварки металлов взрывом с одновременным воздействием ультразвука являются принципиально новыми, а механизм взаимодействия ударных волн с УЗ колебаниями в соударяющихся пластинах недостаточно ясен, что требует детального изучения данного комбинированного процесса. единений в качестве исходных материалов применялись пластины из отожженной меди Ml толщиной 3,5 мм, алюминия А5 толщиной 4 мм и стали СтЗ толщиной 2 мм. Эксперименты проводились по усовершенствованной схеме сварки взрывом (см. гл.2, рис. 2.5), в которой для всех материалов размер метаемой пластины в плане составлял 200x250 мм, а неподвижной (исследуемой и контрольной) - 100x150 мм. Условия проведения экспериментов, режимы сварки взрывом и результаты прочности полученных соединений приведены в табл. 3.2.
Глава Проведенные металлографические исследования показали, что при сварке взрывом с УЗО на границе соединения М1+М1 наблюдается уменьшение не только параметров волн, но и уменьшение количества оплавленного металла К0Ш1 по сравнению с контрольными образцами. Так, в условиях сварки взрывом (при Vc = 370 м/с) с воздействием УЗ колебаний количество оплавленного металла на границе соединения составляло К0Ш1 28% при размахе 2а 0,06 мм, и длине волны X 0,16 мм (рис. 3.7, кривые 1, 3, 5), в то время как при сварке без применения ультразвука: К0Ш1 54%, 2а 0,14 мм, X 0,34 мм (рис. 3.7, кривые 2, 4, 6). По мере снижения скорости соударения до 260 м/с при сварке взрывом с воздействием ультразвука в зоне соединения наблюдается постепенное уменьшение, как параметров волн до 2а 0,03 мм, X 0,12 мм, так и количества оплавленного металла до К0ШІ 10% (рис. 3.7, кривые 2, 4, 6, рис. 3.8).
Исследование влияния частоты и амплитуды УЗ колебаний на остаточную сдвиговую деформацию медных и алюминиевых соединений
Установлено, что при сварке взрывом с одновременным ультразвуковым воздействием максимальная остаточная сдвиговая деформация gmax, измеренная в непосредственной близости от условной линии соединения слоев, составляет около 155%, в то время как в контрольном образце, полученном на идентичных режимах сварки взрывом, но без воздействия ультразвука, сдвиговая деформация меньше и составляет gmax 130%. По мере удаления от линии соединения значения gmax интенсивно уменьшаются, но с разным градиентом (рис. 4.1, а) [224].
Аналогичное распределение остаточной сдвиговой деформации gmax наблюдается и для случая сварки алюминиевых модельных пластин (см. рис. 4.2). Так при сварке взрывом с воздействием ультразвука максимальная остаточная сдвиговая деформация gmax, измеренная в непосредственной близости от условной линии соединения, для алюминиевых образцов составляет около 175%, в то время как в контрольном образце без воздействия ультразвука значения gmax 155%.
Анализ эпюр gmax и микроструктуры медных и алюминиевых образцов показывает, что при формировании соединения под воздействием ультразвука, несмотря на уменьшение параметров границы раздела слоев, в пластическое течение вовлекается больший объем металла ОШЗ по сравнению с образцами без ультразвукового воздействия. Наряду с увеличением максимальных значений gmax, пластической деформации подвергаются более глубоко расположенные слои (см. рис. 4.1, 4.2). При этом стоит отметить, что значения остаточной сдвиговой деформации gmax, измеренные на одинаковом расстоянии от условной линии соединения, различны для образцов с воздействием и без воздействия ультразвука. Выявленная закономерность пластического течения металла ОШЗ в процессе образования соединения при сварке взрывом под воздействием ультразвука, очевидно, связана с изменением механических свойств поверхностных слоев металла, в котором генерируются высокочастотные волны до соударения пластин. Принимая во внимание
Кузьмин Е. В. Кандидатская диссертация Глава 4 результаты работы [224], которые свидетельствуют о том, что изменение размеров и строения зоны при сварке взрывом с применением высокочастотных колебаний является результатом одновременного воздействия этих процессов на стадии формирования соединения и практически не зависит от изменения тонкой структуры материала вследствие предварительной ультразвуковой обработки, можно сделать следующее предположение. По-видимому, при воздействии на металл ультразвуковых колебаний в поверхностных слоях реализуется акустопластический эффект, заключающийся в снижении напряжений течения при постоянной скорости деформации, что позволяет дислокациям с меньшими энергетическими затратами преодолевать барьеры, перемещаться и взаимодействовать друг с другом. В свою очередь, это ведет к повышению пластических свойств приповерхностных слоев металла, которые деформируются в большей степени.
Для изучения степени влияния частоты f и амплитуды УЗ колебаний на величину максимальных сдвигов gmax и характер пластического течения металла в околошовной зоне сварку взрывом осуществляли на режимах, близких к «нижней границе»: для медных соединений W2 = 0,35 МДж/м ; для алюминиевых - W2 = 0,2 МДж/м . Условия проведения экспериментов представлены в табл. 4.2.
Полученные результаты исследования медных соединений с поперечными слоистыми моделями показали (рис. 4.3, 4.4), что амплитуда УЗ колебаний не оказывает существенного влияния на остаточную сдвиговую деформацию и характер пластического течения металла в ОШЗ. Так, увеличение амплитуды , более чем в три раза (с 7 до 25 мкм) при постоянной частоте f = 18 кГц приводит к незначительному повышению максимальных сдвигов gmax, в среднем на 4-7%, а также небольшому росту параметров волн и
По сравнению с амплитудой изменение частоты f УЗ колебаний оказывает существенное влияние как на величину максимальных сдвигов дтях, так и на характер пластического течения металла в ОШЗ медных соединений. Экспериментально установлено, что с увеличением частоты/ при постоянном значении амплитуды = 7 мкм наблюдается рост максимальной остаточной сдвиговой деформации: при частоте /=18 кГц значение дтах составляет около 125%, а при /=25 кГц дтох возрастает до 145% (рис. 4.4). С увеличением частоты / также наблюдается также существенный рост параметров волн и количества оплавленного металла (рис. 4.4, а, в).
С целью исследования возможности воздействия УЗ колебаний в процессе сварки взрывом и на металл в ОШЗ метаемой пластины дополнительно был проведен эксперимент с установкой двух одинаковых алюминиевых вставок со слоистыми моделями - в неподвижной и метаемой пластинах (рис. 4.7). Режимы сварки взрывом и УЗО выбирались из условия получения равнопрочности соединения: Vc =290 м/с, VK = 1900 м/с, W2 = 0,2 МДж/м2,/ = 20 кГц, = 7 мкм. Принципиальная схема сварки взрывом с постановкой поперечной слоистой модели в неподвижной и метаемой пластинах: 1 - продукты детонации; 2 - заряд ВВ; 3 -метаемая пластина; 4 - неподвижная пластина; 5 - пъезокерамический преобразователь; 6-УЗ генератор; 7 - слоистая модель (вставка
Полученные результаты исследования показали, что слои поперечной модели в неподвижной пластине значительно интенсивнее деформируются, чем слои в метаемой пластине. Так, максимальная остаточная сдвиговая деформация gmax, измеренная в непосредственной близости от условной ЛС, в слоях метаемой пластины составляет около 155%, а в слоях неподвижной -сдвиговая деформация больше и составляет gmax 170%. По мере удаления от линии соединения значения gmax уменьшаются и при у = 1 мм составляют в