Содержание к диссертации
Введение
1. Источники импульсного давления для скоростного деформирования материалов 9
1.1 Феноменология генерирования импульсных волн давления 9
1.2 Основы технологических применений скоростного деформирования материалов 16
1.2.1 Сварка и штамповка взрывом 17
1.2.2 Магнито-импульсное деформирование металлов 24
1.2.3 Электроразрядные штамповка и сварка деталей 33
1.3 Требования к параметрам разрядного контура и деформируемому материалу 39
1.4 Постановка цели и задач исследований 44
2. Электровзрыв в воде, инициируемый электрическим взрывом проводника, как источник волн давления для скоростного деформирования металлов 48
2.1 Переходные процессы в разрядном контуре импульсного генератора 48
2.2 Связь параметров разрядного контура с параметрами волны давления 52
2.3 Экспериментальная установка для исследований скоростного деформирования 58
2.4 Регистрация деформирования металлических труб высокоскоростной камерой 63
3. Исследование скоростного деформирования и соударения трубчатых деталей 64
3.1 Экспериментальные исследования деформирования труб волнами давления импульсного разряда в воде 64
3.2 Моделирование скоростного деформирования трубчатых
3 Деталей без учета влияния свободной поверхности торцевой части картриджа 68
3.3 Моделирование деформирования трубчатых деталей с учетом влияния истечения плазмы и воды из торца картриджа 72
3.4 Выводы к разделу 3 83 4. Технологическое применение электровзрывной сварки 84
4.1 Оптимизация конструкции электровзрывного картриджа 84
4.2 Влияние угла соударения и скорости линии контакта на качество сварки трубчатых деталей 87
4.3 Практические рекомендации по конструкционно-технологическому регулированию параметров соединения 95
Заключение 97
Список литературы 99
- Электроразрядные штамповка и сварка деталей
- Экспериментальная установка для исследований скоростного деформирования
- Моделирование деформирования трубчатых деталей с учетом влияния истечения плазмы и воды из торца картриджа
- Практические рекомендации по конструкционно-технологическому регулированию параметров соединения
Электроразрядные штамповка и сварка деталей
Кроме детонации ВВ и импульсного магнитного поля для генерирования импульсных давлений нашел применение импульсный электрический разряд в жидкости. Его технологическое использование заключается в следующем (Рисунок 1.12).
При заряде конденсаторной батареи 1 напряжение достигает необходимой величины в 5-70 кВ и срабатывает коммутатор 2. Это напряжение подаётся на электроды 3 и в жидкости 4 формируется плазменный канал, по которому протекает тока порядка 10-250 кА. Плазменный канал расширяется в течение времени ввода энергии в него. При его расширении формируется УВ с амплитудой давления на фронте более 109 Па и скоростью распространения более 2000 м/с. УВ переходит в акустическую волну с околозвуковой скоростью распространения и давлением в несколько сотен МПа и менее. В результате заготовка 9 деформируется со скоростью менее 100 м/с, придавая ей форму матрицы 10 (Рисунок 1.12, а). Недостатками такого способа являются высокое напряжение (для длинных промежутков более 10 - 20 мм необходимо более 100 кВ) и сферическая форма, расширяющейся волны, в которой давление, действующее на стенку, диссипирует в r3 быстрее, чем при цилиндрической.
Для обеспечения цилиндрической формы импульсной волны давления и плазменного канала, снижения напряжения (до 50 кВ) и облегчения пробоя жидкости в промежутках более 30 мм используется ЭВП [1, 3, 4, 46]. Импульсное давление достигает 109 Па, под действием которого обеспечивается деформирование стенки детали со скоростью более 100 м/с. Это нашло применение для развальцовки труб в трубных решетках теплообменных аппаратов, в которых для формирования плазменного канал применяют электровзрывные картриджи 8 (Рисунок 1.12, б) с проводником 6 [44, 45].
При этом авторами [44, 45] считается, что при пробое межэлектродного промежутка в воде или ЭВП деформирование деталей вызывают УВ, импульсные волны давления от расширяющегося плазменного канала в воде и давление парогазовой полости, образовавшейся после завершения разряда. Действие этих волн аналогично гидровзрывной штамповке, рассмотренной в подразделе 1.2.1.
Однако УВ, в связи с быстрым временем спада (менее 1 мкс) до давлений менее 108 Па, не могут обеспечить высокие скорости деформирования на расстояниях более нескольких мм. Давление от расширения парогазовой полости, после завершения разряда, поддерживает деформирование только на ранней стадии (в первой пульсации), в дальнейшем давление спадает до гидростатического давления воды и при последующих пульсациях не превышает 106 Па. Деформирование прекращается. Одним из первых направлений применения импульсного электрического разряда как источника импульсного давления стали дробление и разрушение горных пород, а также разрушения материалов, например очистные операции всех видов и выбивка стержней из отливок, детально описанных в [47-49].
Технология обработки металлов импульсным давлением, где его источником является электрический разряд, применяется при вытяжке из плоских заготовок куполообразных и крупногабаритных деталей, формовке деталей, штамповке, вальцовке, сварке и т.д. Это определено её преимуществами, которые связанны с регулированием энергетических параметров, возможностью многоимпульсного воздействия на деталь, сокращением числа операций, обеспечением деформирования детали со скоростями от нескольких м/с до 800 м/с, улучшением свойств материалов, например, к повышению пределов прочности и текучести [23].
Для развальцовки труб теплообменных аппаратов получил развитие электроразрядный метод, основанный на применении в качестве источника давления жидкости при расширении парогазовой полости на завершающей стадии развития импульсного электрического разряда при миллисекундных длительностях. Для генерирования давления используется специальная электродная система со случайным расположением траектории канала, для обеспечения эффективности метода импульсы подаются многократно. Количество импульсов определяется экспериментально и зависит от количества запасаемой энергии и необходимой величины деформации трубы для её развальцовки. Например, для деформирования латунной трубы марки Л-70 (диаметром 19 мм и толщиной стенки 1 мм) до диаметра равного 21 мм при энергии 540 Дж потребовалось 10 импульсов, а при энергии 1620 Дж – 4 импульса. Максимальная скорость деформирования латунной трубы толщиной стенки 1 мм и внутренним диаметром 19 мм при этом достигала 100 м/с, а давления (2-4)108 Па. Однако основное деформирование осуществляется на скорости до 1-5 м/с [50-52]. Автор предполагает, что давление от ударной волны (УВ) на стенку трубы к моменту её прихода спадает до величины меньшей давления пластического течения материала. Длительность распространения УВ в среде фиксируется в пределах 25 мкс [50-52], что вызывает сомнения. При указанных радиусах трубы скорости распространения УВ имеют околозвуковые значения, т.е. максимальное время достижения давления стенки составляет 5-7 мкс. Кроме того, давление УВ имеет время спада менее 1 мкс, а скорость её распространения в среде снижается до околозвуковых скоростей и давление до 108 Па.
В этом случае обеспечивается только вальцовка трубы в трубной решётке. Работа этих соединений в технологических режимах работы оборудования допустима в условиях, не требующих от них высокой надежности и долговечности, и может использоваться для операции подвальцовки. В противном случае, соединение должно обеспечивать качество, соответствующее сварке.
Из сварки взрывом [25] и запрессовки труб в трубных решетках [32, 44, 45, 53] известно, что качество соединения труба – трубная решетка определяется возможностью обеспечения сварки. Сварка достигается при скоростях деформирования стенки трубы более 100 м/с, например, для латуни скорость деформирования должна быть не менее 250 м/с.
Экспериментальная установка для исследований скоростного деформирования
Съёмку скоростного деформирования труб из алюминиевого сплава АД1 диаметром 28 мм и толщиной стенки 4 мм (28х4 мм) и латуни Л70, Л63 диаметром 25х2,5 мм осуществляли оптико-механической камерой СФР-2М в режиме теневой покадровой съемки со скоростью 1,75 106 кадров в секунду. Схема съёмки представлена на Рисунке 2.
При использовании СФР (Рисунок 2.7) обеспечивали синхронизацию во времени срабатывания ИГ, ИГЛ и осциллографа. Синхронизация СФР с явлением
Кадры скоростного деформирования латунной трубы Л70 25х2,5 мм осуществлялась с помощью блока СФР. Сигнал с узла развертывающего механизма поступал в электронный блок пульта управления ПУ СФР. После чего происходило срабатывание затвора и выдача инициирующего импульса, которым запускался коммутатор К ИГ. Синхронизация подсветки с явлением и СФР обеспечивается с помощью дополнительного разрядного промежутка, включенного последовательно с К и одновременно с ним срабатывающего. Результаты регистрации представлены на Рисунках 2.8, 2.9.
Рисунок 2.9. Кадры скоростного деформирования алюминиевой трубы АД1 28х4 мм По результатам съёмки получены плёнки, на которых зафиксированы кадры с направлением снизу вверх по четыре в ряд (Рисунок 2.8, 2.9). Время между кадрами 0,572 мкс. Для оценки деформации использовали фотоувеличитель. Каждый кадр предварительно делился на 8 – 10 сечений с одинаковым расстоянием. Для калибровки и оценки деформации определялся коэффициент (KS), который записывается в виде где Dвн – внешний радиус трубы экспериментального образца, мм; DвнS – внешний радиус не деформированного участка трубы на исследуемом кадре (Рисунок 2.10).
На Рисунке 2.10 представлен кадр, на котором обозначены DвнS, DвнSi – диаметр деформируемого участка трубы в сечении для оценки деформации ri. ri оценивается по формуле
По результатам обработки кадров скоростной съёмки с использованием (2.17) и (2.18) построена кинетика деформации труб для некоторых сечений (Рисунок 2.11 а, б).
Кинетика деформации труб: вверху кадры скоростной съёмки с сечениями по длине трубы г2, г4, г6, г8; внизу деформация труб: а - из сплава
Скоростная фоторегистрация при свободной раздаче трубы позволяет оценить скорость метания труб в момент соударения для различных зазоров между трубой и трубной решеткой. Благодаря высокой скорости регистрации, СФР-граммы (кадры) свободной раздачи труб имеют значительно большие линейные размеры, обеспечивая значительно меньшую погрешность определения скорости метания. По результатам скоростной фоторегистрации графическим методом произведена оценка средней скорости деформирования для типичных исследованных образцов труб Л70, АД1 при варьировании напряжения и емкости При U = 50 кВ в диапазоне С = 21-24 мкФ наблюдается некоторое снижение скоростей деформирования и при оптимизации режима сварки труб увеличение емкости свыше указанных емкостей нецелесообразно. Для скорости деформирования от напряжения характерно её линейное возрастание в интервалах напряжений до 40 кВ.
Результаты опыта хорошо согласуются с приведенными выше теоретическими положениями о связи скорости деформирования со скоростью нарастания мощности. Следует отметить, что для алюминия при напряжении 50 кВ при переходе от емкости 15 мкФ к 24 мкФ, возрастание скорости не наблюдается. Это объясняется тем, что для данного диапазона емкостей скорость нарастания мощности как функция параметров RLC - разрядного контура малокритична к изменению С. Увеличение С для заданных условий разряда не приводит к росту амплитуды, а ведет к увеличению длительности воздействия волны давления. Расширяющийся плазменный канал в заданных условиях эквивалентен по своему воздействию фугасному ВВ. Предварительные опыты показали, что при С=24 мкФ и U=50кВ сварки алюминиевых труб с трубными решетками не наблюдается, импульс волны давления столь велик, что вызывает разрушение трубы и повреждению отверстия трубной решетки.
Разработан метод скоростной теневой фоторегистрации деформирования труб импульсным давлением расширяющегося плазменного канала электрического разряда, что позволяет исследовать кинетику деформирования.
Исследованы и выбраны оптимальные режимы работы импульсного генератора, обеспечивающие скоростное деформирование труб импульсом давления расширяющегося плазменного канала. Для исследованных режимов оценены давления и скорости деформирования.
Моделирование деформирования трубчатых деталей с учетом влияния истечения плазмы и воды из торца картриджа
Разработанная в подразделе 3.2 модель, несмотря на удовлетворительное совпадение результатов расчета с экспериментами, не учитывает влияние свободных поверхностей на деформирование и требует разработки специального программного продукта для моделирования. Рассмотрим возможность моделирования деформирования трубчатых деталей с учетом влияния свободной поверхности торца картриджа.
Для анализа распространения импульсных волн давления рассмотрена схема деформирования цилиндра в радиальном направлении импульсным давлением, в качестве источника которого используется расширяющийся плазменный канал (Рисунок 3.5).
Учёт влияния свободной поверхности, как это принято в расчётах подводных взрывов [1, 32, 92], производят с помощью вторичных источников волны давления отрицательной амплитуды, зеркально расположенных на оси с реальным источником – расширяющимся плазменным каналом. Таким образом, на внутреннюю поверхность деформируемой трубы, кроме падающей волны импульсного давления от реального источника, действуют волны давления с обратным знаком, т.е. волны разгрузки, отраженные от свободных поверхностей (Рисунок 3.5)
Схема для оценки влияния волн импульсного давления отраженных от свободных поверхностей на деформирование трубы Импульсное давление, действующее на поверхность деформируемой трубы в точке А, равно векторной сумме волн импульсного давления от источника и волн, отраженных от свободных поверхностей где P(t) - импульс давления, приходящий от реального источника в радиальном направлении, P\(t) и P2(t) - импульсы давления, отраженные от вторичных источников по оси цилиндра и приходящие в точку А с запаздыванием по времени ті и т2 соответственно, lrt_T\ = ) i и цг_т \=\ {-т2 1 \l,t T1 2 \\,t T2 импульсные функции, где ті и т2 - время запаздывания прихода вторичных волн давления на поверхность деформируемого участка трубы (Рисунок 3.5) Ті = 1 Л, (3.18) (3.19) С0 где rj и г2 - длины пробега волны импульсного давления от вторичных источников до точки А; ах и а2 - углы падения волн давления от вторичных источников в точке А; гп - длина пробега волны давления от основного источника; ро и с0 - плотность и скорость звука в воде. Аналогия распространения акустических и электромагнитных волн в средах Волновая динамика в акустической волновой среде аналогична процессам распространения электромагнитных волн в длинных линиях, что широко используется в геофизике для определения электрофизических параметров среды [107]. Учёт эффекта запаздывания импульса давления выполнен на основе уравнения движения сплошной среды в линейном акустическом приближении для одномерного случая [19] dP Система дифференциальных уравнений (3.20) сводится уравнению вида где zaK = Л/Е р0 = с0 р0 - акустическое сопротивление среды, Рпад и Ротр соответственно падающий и отраженный импульсы волн давления на границе раздела вода - внутренняя поверхность трубы. Динамка акустических волн давления аналогична распространению электромагнитных волн в цепях с распределенными параметрами [107], а уравнения (3.20) - (3.22) являются аналогами уравнений цепи с распределёнными параметрами. Аналогия представлена в Таблица2 и позволяет анализировать распространение волн давления в сплошной среде на модели в виде длинной электрической линии. При составлении модели принимается следующее. Величина импульсного давления и скорость деформирования трубы эквивалентны напряжению и току в конце электроволновой линии на нагрузке, пересчитанных через соответствующие коэффициенты Р = т -U, (3.23) где Р - импульсное давление, действующее на стенку трубы [Па], тр -масштабный коэффициент пересчёта с размерностью [Па/В], U - напряжение в конце линии с распределенными параметрами [В] (3.24) где ти,- - масштабный коэффициент пересчёта с размерностью [м/(с-А)], / -ток в конце электроволновой линии с распределенными параметрами [А] p = LaK=mL-L, (3.25) где р - плотность сплава трубы [кг/м3], L - погонная индуктивность [Гн/м], mL - масштабный коэффициент пересчета с размерностью (3.26) где С - погонная ёмкость [Ф/м], тс - масштабный коэффициент пересчета с размерностью [(с2-м2)/(кг-Ф)].
Аналогия электромагнитных и акустических волн для волн напряжения и тока в электроволновой линии для акустических волн дг _ 3U— — — С- дх dt закон Гука в дифференциальной формеди _ 1 дРдх Е dt dU Т ді дх dt уравнение движениядР ди = о дх dt волновое уравнениеd2U 1 d2U п — — (Jдх2 v 2 dt 2 волновое уравнениед2Р 1 д2Р п г = одх2 с0 dt скорость электромагнитной волны 1 скорость акустической волныV Р -4T zw - волновое сопротивление цепи с распределенными параметрамиw \1с zак – акустическое сопротивление среды 2ак=л]Е -р =с0- р0 решение волнового уравненияU = Unad(x-vt)+Uomp(x + vt) і = —-[U (x-v-1)+ Uomp (x + v-1)]w решение волнового уравнения P = P -c0)+Pa4l(x + c0)« = [Р„ -(х-Со- )+ Р.тР (Х + Со- 0]Zак Акусто-электроволновая модель Модель механической волновой системы в виде электрической цепи с распределёнными параметрами содержит источник импульсного давления, заполненную водой область, и участок деформируемой трубы (Рисунок 3.6). (3.27) (3.28) По правилам расчёта тока в нагрузке при подходе падающей волны к концу линии [107] (Рисунок 3.6) составлено дифференциальное уравнение, которое является аналогом уравнения (3.10) и представленного в виде
Практические рекомендации по конструкционно-технологическому регулированию параметров соединения
Экспериментальные и расчётные исследования кинетики деформирования и сварки труб с трубной решеткой теплообменного аппарата импульсом давления расширяющегося плазменного канала электрического разряда показали:
1. скорость деформирования металла зависит от параметров волновой динамики, амплитуды и диссипации волны давления, которые определяются от параметров разрядного контура импульсного генератора (U, С, L);
2. скорость точки контакта и угол соударения зависят от профиля деформации трубы и скорости деформирования, зависящие от распределения импульсного давления по поверхности трубы в рабочей зоне картриджа;
3. распределение импульсного давления по поверхности трубы определяется геометрией электровзрывного картриджа, в частности толщиной его торцевых пробок.
Таким образом, можно сформулировать следующие рекомендации:
- управление величиной амплитуды импульсного давления, обеспечивающего стабильное скоростное деформирование и сварку, возможно за счет регулирования напряжения от 15 до 40 кВ при ёмкости 15 - 21 мкФ, при больших значения стабильности деформирования и сварки не обеспечивается;
- количество витков спирали проводника для инициирования канала не должно превышать 6 витков, в противном случае это может привести к межвитковому короткому замыканию или пробою на трубу с отсутствием деформации;
- управление профилем и скоростью деформирования можно осуществлять увеличением толщины торцевых пробок электровзрывного картриджа,
- необходимый профиль деформации определяется расчетом с помощью акусто-электроволновой модели; - при сварке труб с трубной решеткой:
1) определяются границы области сварки;
2) с помощью алгоритма рассчитываются параметры соударения;
3) строятся зависимости (Vтк), которые сопоставляются с границами области сварки;
4) определяются расчетные зоны сварки, которые сопоставляются с регламентированными или заданными зонами;
5) в зависимости от сопоставления расчетных и заданных зон сварки принимается решение о продолжении расчетов или переходе непосредственно к сварке;
6) при продолжении расчетов регулированию подвергаются (U, C, L), геометрия электровзрывного картриджа и конусность трубной решетки. Заключение
Выполнены экспериментальные исследования скоростного деформирования металлических труб импульсным давлением расширяющегося плазменного канала. Разработан и реализован метод оптической теневой скоростной фоторегистрации. Для исследованных энергетических режимов оценены давления и скорости деформирования, составившие 200 - 750 МПа и 100-600 м/с соответственно.
По результатам исследований скоростной фоторегистрации:
- установлено, что кинетика деформирования труб в сечениях имеет дискретный характер, обусловленный особенностями волновой динамики акустических волн давления с околозвукой скоростью в средах;
- получены выражения для оценки давления, скорости деформирования и деформации в линейно-акустическом приближении;
- разработана акусто-электроволновая модель деформирования сплавов в цилиндрической симметрии, адекватность модели проверена сопоставлением результатов моделирования кинетики деформирования и профилей деформации с экспериментальными;
- сделана попытка учёта влияния динамической вязкости металлов при деформировании со скоростями до 600 м/с; показано, что при скоростях 100-600 м/с зависимости коэффициента динамической вязкости для алюминия и латуни от изменения скорости не фиксируется;
- разработан алгоритм определения параметров соударения и деформации для электровзрывной сварки труб с трубной решеткой, возможность применения которого подтверждена сопоставлением расчетных и экспериментальных данных;
- сопоставление рассчитанных зон сварки с экспериментальными показали совпадение 30-95%, широкий диапазон совпадений связано с введенными в алгоритм упрощениями.
Установлено, что на профиль деформации и скорость деформирования существенное влияние оказывает волновая динамика. Предложено для управления профилем деформации и скоростью деформирования увеличивать толщину пробки электровзрывного картриджа.
Сформулированы практические рекомендации по регулированию параметров соединения. Рекомендации позволяют оптимизировать технологию соединения и сварки трубчатых деталей.
