RU2116874C1

RU2116874C1 - Metal blank explosion welding method

Info

Publication number: RU2116874C1
Application number: RU97105453A
Authority: RU
Inventors: Юрий Леонидович Алексеев; Андрей Юрьевич Алексеев
Original assignee: Юрий Леонидович Алексеев; Андрей Юрьевич Алексеев
Priority date: 1997-04-01
Filing date: 1997-04-01
Publication date: 1998-08-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering; welding. SUBSTANCE: metal blanks to be explosion welded are installed with clearance whose value Δ is found from equation Δ ≤ 2h u/D, where h is thickness of blank to be welded; u is velocity of metal of welded blank behind shock wave front; D is velocity of shock wave in metal of welded blank. Main explosive charge is placed on surface of blank to be welded. At blasting of explosive charge oblique encounter of welded blank with surface of fixed blank is provided. Thickness of blank to welded and length l of section of this blank is chosen to meet relationship l > 2h,, and main charge of explosive is provided with additional charge to create axially symmetric front of detonation. EFFECT: reliable connection of metal blanks in form of flat plates and solid rods, reduced consumption of metal, rational use of expensive metals and alloys. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к соединению металлов сваркой взрывом и может быть использовано в машиностроении, в нефтяной, химической и пищевой промышленностях. The invention relates to the connection of metals by explosion welding and can be used in mechanical engineering, in the oil, chemical and food industries.

В указанных областях промышленности детали машин промышленных установок могут быть выполнены составными из двух и более частей, соединенных между собой с использованием энергии взрыва. Это особенно актуально для химической промышленности. Например, вал химического насоса не по всей своей длине находится в агрессивной среде. Его следует выполнять составным, биметаллическим, заменяя ту часть вала, которая находится вне агрессивной среды, более простым конструкционным металлом. Это позволит экономить более дорогие специальные металлы и их сплавы. Следовательно, сварка металлических заготовок является актуальной задачей. In these areas of industry, machine parts of industrial plants can be made of two or more parts interconnected using explosion energy. This is especially true for the chemical industry. For example, the shaft of a chemical pump is not in an aggressive environment along its entire length. It should be performed with a composite, bimetallic, replacing that part of the shaft that is outside the aggressive environment, a simpler structural metal. This will save more expensive special metals and their alloys. Therefore, welding of metal billets is an urgent task.

Современное представление о сварке взрывом описано в технической литературе и суть его заключается в том, что для соединения металлов необходимо высокоскоростное их соударение. При этом один из металлов разгоняют с помощью взрывчатого вещества (ВВ) до высокой скорости и обеспечивают его соударение с другим подвижным металлом. Считается, что соединение металлов происходит в твердой фазе. The modern idea of explosion welding is described in the technical literature and its essence lies in the fact that for the connection of metals their high-speed collision is necessary. In this case, one of the metals is accelerated with an explosive (BB) to a high speed and is provided with its collision with another movable metal. It is believed that the combination of metals occurs in the solid phase.

Известен способ сварки металлических заготовок взрывом, заключающийся в том, что на поверхность привариваемой металлической заготовки помещают заряд ВВ, при подрыве которого обеспечивают косое соударение привариваемой заготовки с поверхностью неподвижной заготовки. Непременным условием является создание высокоскоростных деформаций соединяемых поверхностей. При этом зазор между свариваемыми поверхностями должен быть настолько большим, чтобы обеспечить разгон привариваемой заготовки [1]. A known method of welding metal billets by explosion, which consists in the fact that the explosive charge is placed on the surface of the welded metal billet, under the explosion of which they provide an oblique collision of the welded billet with the surface of the stationary billet. An indispensable condition is the creation of high-speed deformations of the joined surfaces. In this case, the gap between the surfaces to be welded should be so large as to ensure acceleration of the welded workpiece [1].

Известен способ сварки взрывом металлических заготовок, заключающийся в том, что сравниваемые заготовки устанавливают с определенным зазором, на поверхность одной из них помещают заряд взрывчатого вещества и осуществляют его детонацию [2], при этом сварку осуществляют за счет действия отраженных волн от поверхностей деталей, расположенных в пакете, после соединяемых первых двух. A known method of explosion welding of metal billets, which consists in the fact that the compared billets are installed with a certain gap, the explosive charge is placed on the surface of one of them and detonate it [2], while welding is carried out due to the action of reflected waves from the surfaces of parts located in the package, after the first two connected.

Недостатками известных способов являются: использование большого количества ВВ для разгона всей детали, значительное деформирование соединяемых металлов и, как следствие этого, отсутствие возможности произвести соединение деталей на отдельных участках без их разрушения. The disadvantages of the known methods are: the use of a large number of explosives to disperse the entire part, a significant deformation of the metals to be joined and, as a consequence, the inability to connect parts in separate areas without destroying them.

Наиболее близким решением к заявляемому является способ сварки металлических заготовок взрывом [3], заключающийся в том, что свариваемые металлические заготовки устанавливают с зазором, величину Δ которого определяют в соответствии с соотношением

где h - толщина привариваемой заготовки; u - скорость металла привариваемой заготовки за фронтом ударной волны; D - скорость ударной волны в металле привариваемой заготовки, на поверхность привариваемой заготовки помещают заряд взрывчатого вещества, при подрыве которого обеспечивают косое соударение привариваемой заготовки с поверхностью неподвижной заготовки.The closest solution to the claimed is a method of welding metal billets by explosion [3], which consists in the fact that the welded metal billets set with a gap, the value Δ of which is determined in accordance with the ratio

where h is the thickness of the welded workpiece; u is the metal speed of the welded workpiece behind the front of the shock wave; D is the speed of the shock wave in the metal of the welded workpiece, an explosive charge is placed on the surface of the welded workpiece, which, when undermined, provides an oblique collision of the welded workpiece with the surface of the stationary workpiece.

Известный способ позволяет уменьшить в несколько раз расход взрывчатых материалов, уменьшить деформирование соединяемых металлических заготовок. Однако он недостаточно эффективен при сварке сплошных стержней и в том случае, когда нужно выполнить соединение сваркой на отдельных участках деталей без разрушения этих деталей. The known method allows to reduce several times the consumption of explosive materials, to reduce the deformation of the connected metal workpieces. However, it is not effective enough when welding solid rods and in the case when it is necessary to make the connection by welding in separate parts of the parts without destroying these parts.

Задачей изобретения является создание универсального и эффективного способа соединения металлических заготовок в виде плоских пластин и сплошных стержней, снижение расхода металла, рационального использования дорогостоящих металлов и их сплавов. The objective of the invention is to create a universal and effective method of joining metal billets in the form of flat plates and solid rods, reducing metal consumption, the rational use of expensive metals and their alloys.

Задача изобретения достигается тем, что в способе сварки металлических заготовок взрывом свариваемые металлические заготовки, плоские пластины или сплошные стержни, устанавливают с зазором в соответствии с соотношение

, где h - толщина привариваемой заготовки; u - скорость металла привариваемой заготовки за фронтом ударной волны; D - скорость ударной волны в металле привариваемой заготовки, на поверхность привариваемой заготовки помещают основной заряд, содержащий дополнительный заряд, выполненный из листового пластического ВВ, создающий осесимметричный фронт детонации, при этом толщину h привариваемой заготовки и длину участка привариваемой заготовки l выбирают в соответствии с соотношением l > 2h.The objective of the invention is achieved by the fact that in the method of welding metal billets by explosion, the welded metal billets, flat plates or solid rods are set with a gap in accordance with the ratio

where h is the thickness of the welded workpiece; u is the metal speed of the welded workpiece behind the front of the shock wave; D is the speed of the shock wave in the metal of the welded billet, the main charge is placed on the surface of the welded billet, containing an additional charge made of plastic sheet explosive, creating an axisymmetric detonation front, while the thickness h of the welded workpiece and the length of the welded workpiece section l are selected in accordance with the ratio l> 2h.

На фиг. 1 показана схема реализации описываемого способа. Две соединяемые заготовки 1 и 2 в виде сплошных стержней обработаны на концах и установлены по отношению друг к другу так, что между соединяемыми поверхностями имеется зазор 3

На поверхность заготовки 1 помещен основной заряд взрывчатого вещества 4. Заряд 4 подрывают дополнительным зарядом 5, создающим осесимметричный фронт детонации, что необходимо для достижения высокого качества соединения.In FIG. 1 shows a diagram of the implementation of the described method. Two connectable workpieces 1 and 2 in the form of solid rods are machined at the ends and installed in relation to each other so that there is a gap 3 between the joined surfaces

The main explosive charge 4 is placed on the surface of the workpiece 1. Charge 4 is undermined by an additional charge 5, which creates an axisymmetric detonation front, which is necessary to achieve high quality compounds.

Дополнительный заряд 5 в одном из вариантов представлен на фиг.2. В качестве дополнительного заряда может быть использовано пластическое ВВ, например, эластит марки ЭЛ-1 ТУ 121-051-90. Дополнительный заряд ВВ плоской своей частью размещают в контакте с основным зарядом 4 и подрывают детонатором 6. An additional charge 5 in one of the options presented in figure 2. As an additional charge, a plastic explosive can be used, for example, elastit grade EL-1 TU 121-051-90. An additional explosive charge with its flat part is placed in contact with the main charge 4 and detonated by the detonator 6.

Дополнительный заряд, форма которого представлена на фиг. 2, обеспечивает достаточно ровный осесимметричный фронт детонации в основном заряде. Благодаря эластичности такой заряд может быть размещен, например, как на поверхности плоских пластин при их сварке, так и на цилиндрической поверхности при сварке стержней. An additional charge, the form of which is shown in FIG. 2, provides a fairly even axisymmetric detonation front in the main charge. Due to its elasticity, such a charge can be placed, for example, both on the surface of flat plates during their welding, and on a cylindrical surface when welding rods.

Описываемый способ реализуется следующим образом. Заготовки 1 и 2 устанавливают с зазором

Чтобы предотвратить разрушение заготовки 1 в донной части расточки, зазор должен быть минимальным, но при этом обеспечивающим сварное соединение. Экспериментально установлено, что прочность сварки зависит от величины зазора [4]. С увеличением зазора она растет, а граница начала образования сварного соединения сдвигается внутрь соединяемых поверхностей от начала соударения. В соответствии с [4] для достижения высокой прочности величина зазора должна находиться в интервале 0,1...0,5 мм.The described method is implemented as follows. Billets 1 and 2 set with a gap

To prevent the destruction of the workpiece 1 in the bottom of the bore, the gap should be minimal, but at the same time providing a welded joint. It was experimentally established that the strength of welding depends on the size of the gap [4]. With an increase in the gap, it grows, and the boundary of the beginning of the formation of a welded joint shifts into the joined surfaces from the beginning of the collision. In accordance with [4], to achieve high strength, the gap should be in the range of 0.1 ... 0.5 mm.

С другой стороны, толщина стенки h привариваемой части заготовки 1 должна быть такой, чтобы обеспечивать прочность в донной части расточки заготовки 1. При увеличении толщины слоя металла h на границе соединения будут уменьшаться параметры ударного сжатия металла и газа в зазоре вследствие затухания интенсивности ударного сжатия на толщине h. On the other hand, the wall thickness h of the welded part of the workpiece 1 should be such as to ensure strength in the bottom of the bore of the workpiece 1. With an increase in the thickness of the metal layer h at the joint boundary, the parameters of shock compression of metal and gas in the gap will decrease due to attenuation of the intensity of shock compression by thickness h.

Исследования показывают [5], что граница начала сварки сдвигается внутрь соединяемых поверхностей от начала соударения при увеличении толщины слоя h, причем расстояние l₁ от начала соударения до границы начала сварки находится в соотношении с h : l₁ = 2h.Studies show [5] that the boundary of the start of welding shifts inward to the surfaces to be joined from the start of the impact with increasing layer thickness h, and the distance l ₁ from the start of the impact to the boundary of the start of welding is in the ratio with h: l ₁ = 2h.

Кроме того, экспериментально установлено, что прочность сварки уменьшается прямо пропорционально увеличению h. Металлографические исследования показывают, что это зависит от глубины проплавления соединяемых поверхностей. Проплавление поверхностей происходит от воздействия на них ударно-сжатого газа, находящегося в зазоре. In addition, it was experimentally established that the welding strength decreases in direct proportion to the increase in h. Metallographic studies show that this depends on the penetration depth of the surfaces to be joined. The penetration of surfaces occurs from exposure to shock-compressed gas in the gap.

Итак, толщину привариваемого слоя h берут, исходя из прочности конструкции в донной части соединения, а сварку необходимо производить при длине соединения l>2h, исходя из прочности самого соединения. So, the thickness of the welded layer h is taken based on the strength of the structure in the bottom of the connection, and welding must be done with the length of the connection l> 2h, based on the strength of the connection itself.

Заряд ВВ для сварки обычно изготавливается из порошкообразных ВВ, состоящих из смеси различных компонентов, например, из тротила и аммонийной селитры (аммонита). Практика показывает, что для соединения заготовок толщину заряда следует брать минимальную, близкую к критической. Параметры Δ , l и толщина слоя ВВ уточняются при разработке технологии экспериментально. При этом исследуется качество соединения. Прочность соединения заготовок по предлагаемому способу находится на уровне прочности соединения металлов сваркой. Способ не имеет ограничений в части геометрических размеров свариваемых поверхностей. The explosive charge for welding is usually made of powdered explosives, consisting of a mixture of various components, for example, TNT and ammonium nitrate (ammonite). Practice shows that to connect the workpieces, the charge thickness should be taken to be minimal, close to critical. The parameters Δ, l and the thickness of the explosive layer are specified when developing the technology experimentally. In this case, the quality of the compound is investigated. The strength of the connection of the workpieces according to the proposed method is at the level of the strength of the connection of metals by welding. The method has no limitations in terms of the geometric dimensions of the surfaces to be welded.

Пример 1
Сварка двух круглых заготовок в виде стержней из углеродистой стали марки 40X и сплава марки 06ХН28МДТ диаметром 75 мм для изготовления валов химических насосов. Углеродистая сталь была взята в качестве привариваемого слоя, как деталь 1 на фиг. 1. Толщина привариваемого слоя, исходя из прочности конструкции, составляла 9 мм. Деталь 2 выполнена из сплава 06ХН28МДТ. Эта часть заготовки при работе насоса находится в агрессивной среде. Диаметр соединяемых поверхностей 56 мм. Зазор, вычисленный по формуле

равен 0,5 мм. В соответствии с формулы l>2h длина соединения l должна быть больше 2h = 18 мм. Прочность соединения должна быть обеспечена на участке сварки длиной не менее 40 мм, исходя из прочности углеродистой стали. Наилучшие показатели (прочность соединения на уровне прочности углеродистой стали) были достигнуты при зазоре 0,5 мм и на длине 60 мм в интервале l = 20...80 мм от донной части детали 1. Основной заряд 4 из аммонита имел толщину 20 мм, дополнительный заряд 5 был выполнен из эластита ЭЛ-2 и имел толщину ≈ 1 мм и форму как на фиг.2.Example 1
Welding of two round billets in the form of rods of carbon steel grade 40X and alloy grade 06XH28MDT with a diameter of 75 mm for the manufacture of shafts of chemical pumps. Carbon steel was taken as the weld layer, as part 1 in FIG. 1. The thickness of the welded layer, based on the strength of the structure, was 9 mm Part 2 is made of 06XH28MDT alloy. This part of the workpiece is in an aggressive environment when the pump is running. The diameter of the connected surfaces is 56 mm. The gap calculated by the formula

equal to 0.5 mm. According to the formula l> 2h, the length of the compound l must be greater than 2h = 18 mm. The strength of the joint should be ensured at the welding site with a length of at least 40 mm, based on the strength of carbon steel. The best performance (joint strength at the carbon steel strength level) was achieved with a gap of 0.5 mm and a length of 60 mm in the interval l = 20 ... 80 mm from the bottom of part 1. The main charge 4 of ammonite had a thickness of 20 mm, the additional charge 5 was made of EL-2 elastite and had a thickness of ≈ 1 mm and a shape as in FIG. 2.

Пример 2
Сварка двух плоских заготовок в виде пластин для переходных электрических шин выполнялась из алюминиевого сплава марки АД1 с поперечным сечением 20х200 мм и меди марки М1 с поперечным сечением 12х200 мм. Соединение производилось на концах пластин внахлест на ширине 70 мм. Деталь из меди приваривалась к детали из алюминиевого сплава. Зазор, вычисленный по формуле

, составляет 1,0 мм. Толщина основного заряда, выполненного из аммонита, составляет 20 мм. Дополнительный заряд их эластита имеет толщину 1 мм. Сварка происходит на длине ≈ 170 мм в интервале ≈ 30...200 мм от начала соударения. Участок, где сварка отсутствовала, составляет l=2h ≈ 24 мм. Прочность соединения на растяжение составляла 7...8 кг/мм², что соответствует прочности алюминиевого сплава АД1.Example 2
Welding of two flat billets in the form of plates for transitional busbars was made of aluminum alloy grade AD1 with a cross section of 20x200 mm and copper grade M1 with a cross section of 12x200 mm. The connection was made at the ends of the overlap plates at a width of 70 mm. The copper part was welded to the aluminum alloy part. The gap calculated by the formula

is 1.0 mm. The thickness of the main charge made of ammonite is 20 mm. The additional charge of their elastite has a thickness of 1 mm. Welding takes place at a length of ≈ 170 mm in the range of ≈ 30 ... 200 mm from the start of the collision. The area where welding was absent is l = 2h ≈ 24 mm. The tensile strength of the joint was 7 ... 8 kg / mm ² , which corresponds to the strength of the aluminum alloy AD1.

Количество примеров не ограничивает возможности способа. Используя способ, можно производить сварку более двух заготовок. Например, несколько плоских или криволинейных пластин можно соединить на отдельных участках одновременно или круглые заготовки (стержни) соединить с помощью третьей детали (муфты) и т.п. The number of examples does not limit the possibilities of the method. Using the method, it is possible to weld more than two workpieces. For example, several flat or curved plates can be joined in separate sections at the same time, or round blanks (rods) can be connected using a third part (sleeve), etc.

Источники и информации
1. Конон Ю.А., Первухин Л.В., Чудновский А.Д., Книга: Сварка взрывом, М. : Машиностроение, 1987, с 5-9.Sources and Information
1. Konon Yu.A., Pervukhin L.V., Chudnovsky A.D., Book: Explosion welding, M.: Mechanical Engineering, 1987, 5-9.

2. Патент США N 5, 104, 027., НКИ: 228/107, 1992. 2. US patent N 5, 104, 027., NKI: 228/107, 1992.

Патент РФ N 2056987, B 23 K 20/08, 1996. (прототип). RF patent N 2056987, B 23 K 20/08, 1996. (prototype).

4. Алексеев Ю. Л., Смирнова Г.М. Влияние величины сварочного зазора на качество соединения при сварке взрывом. Журнал: Физика и химия обработки материалов. М. N 4. 1993. с 120-123. 4. Alekseev Yu. L., Smirnova G.M. The influence of the size of the welding gap on the quality of the joint during explosion welding. Journal: Physics and Chemistry of Materials Processing. M. N 4. 1993. from 120-123.

5. Алексеев Ю.Л. Смирнова Г.М. Об условиях образования сварного соединения взрывом. Журнал: Физика и химия обработки материалов. М. N 2. 1994. с 112-116. 5. Alekseev Yu.L. Smirnova G.M. On the conditions for the formation of a weld by an explosion. Journal: Physics and Chemistry of Materials Processing. M. N 2. 1994. from 112-116.

Claims

1. The method of welding metal billets by explosion, namely, that the welded metal billets are set with a gap, the value Δ of which is determined in accordance with the ratio Δ ≤ 2h u / D, where h is the thickness of the welded workpiece, u is the metal speed of the welded workpiece behind the front shock wave, D is the speed of the shock wave in the metal of the welded billet, the main explosive charge is placed on the surface of the welded billet, under the explosion of which they provide an oblique collision of the welded billet with overhnostyu fixed workpiece, characterized in that the thickness of the workpiece and the weld length l portion welded workpiece is selected in accordance with the relation l> 2h, a main explosive charge comprises an additional explosive charge creates an axially symmetric detonation front.

2. The method according to claim 1, characterized in that the additional charge is made of plastic sheet explosive.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that as the metal blanks use flat metal plates.

4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that as the metal blanks use solid rods.