RU2412033C1

RU2412033C1 - Method of blast cladding of metal cylindrical billet end face surface

Info

Publication number: RU2412033C1
Application number: RU2010102411/02A
Authority: RU
Inventors: Виктор Михайлович Оголихин (RU); Виктор Михайлович Оголихин; Сергей Дмитриевич Шемелин (RU); Сергей Дмитриевич Шемелин
Original assignee: Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИГиЛ СО РАН)
Priority date: 2010-01-25
Filing date: 2010-01-25
Publication date: 2011-02-20

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention may be used in cladding articles with not flat end face surface, particularly, in production of cylindrical bimetal adapters, and electrodes for contact point welding. End face surface 2 of metal billet 5 with cylinder radius r_c is made in the form of ball segment (ABC) with ball radius 2r_c≤R≤14.33r_c, ball segment base radius equal to that of processed cylindrical billet r_c and ball segment height 0.0344r_c≤h≤0.268r_c. To initiate wave-forming mechanism, ledge is produced on ball segment apex with height equal to wave amplitude and diametre equal to half-period of wave formed in blast welding of sheet billets of the given pair of metals. Proposed method allows cladding several various-metal billets by single sheet with varying machining of end face surfaces to be cladded to parametres R and h with above specified limits, and using one charge of explosive.

EFFECT: high-quality joint with no faulty fusions, higher efficiency.

3 cl, 4 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к технологии сварки взрывом и может быть использовано при изготовлении цилиндрических биметаллических (композиционных) переходников, электродов для точечной контактной сварки и других изделий, где необходимо плакирование торцевой поверхности.The invention relates to explosion welding technology and can be used in the manufacture of cylindrical bimetallic (composite) adapters, spot welding electrodes and other products where end surface cladding is required.

Известен способ взрывного плакирования металлической поверхности (патент Англии №1255231, В23Р 3/09, 1971), в котором плакирование металлической поверхности производят путем приварки к ней взрывом плакирующего листа, устанавливаемого под углом к плакируемой поверхности, и инициирования заряда взрывчатого вещества (ВВ) из наиболее удаленной от плакируемой поверхности точки. Этот способ не обеспечивает возможности качественного плакирования неплоских торцевых поверхностей.A known method of explosive cladding of a metal surface (England patent No. 1255231, B23P 3/09, 1971), in which the cladding of a metal surface is produced by welding to it an explosion of a clad sheet, set at an angle to the clad surface, and initiating an explosive charge from point farthest from the surface to be clad. This method does not provide the possibility of high-quality cladding of non-planar end surfaces.

Из работы [Дерибас А.А. Физика упрочнения и сварки взрывом. 2-е изд., доп. и перераб. - Новосибирск: Наука, 1980. - С.145] известна схема соударения с уступом, реализуемая при сварке взрывом плоских листовых заготовок. В данной схеме используется начальный толчок для «запуска» механизма волнообразования и ликвидации начального участка непровара. На этом участке плакируемой плоской поверхности неподвижной заготовки по ширине выполняют уступ высотой порядка амплитуды волны, определяемой параметрами соударения.From the work [Deribas A.A. Physics of hardening and explosion welding. 2nd ed., Ext. and reslave. - Novosibirsk: Nauka, 1980. - P.145] known scheme of collisions with a ledge, implemented in the explosion welding of flat sheet blanks. In this scheme, an initial impetus is used to “start” the wave-formation mechanism and eliminate the initial section of lack of penetration. In this section of the plated flat surface of the fixed billet, a step is made in width that is a height of the order of the wave amplitude determined by the impact parameters.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ плакирования металлической поверхности по а.с. СССР №888406, B23K 20/08, 1980. По указанному способу плакируемая поверхность выполнена наклонно с определенным, постоянным, заранее заданным углом к горизонтальной плоскости. Плакирование осуществляют путем приварки к наклонной поверхности взрывом плакирующего листа, установленного под углом к горизонтальной плоскости, проходящей через вершину плакируемой поверхности, равным углу поворота плакирующего листа в процессе полета при инициировании заряда ВВ, расположенного на листе, из наиболее удаленной от плакируемой поверхности точки.Closest to the proposed technical solution is a method of cladding a metal surface by.with. USSR №888406, B23K 20/08, 1980. According to the specified method, the clad surface is made obliquely with a specific, constant, predetermined angle to the horizontal plane. Cladding is carried out by welding to the inclined surface an explosion of the clad sheet, installed at an angle to the horizontal plane passing through the top of the clad surface, equal to the angle of rotation of the clad sheet during the flight when the explosive charge located on the sheet is initiated from the point farthest from the clad surface.

Данный способ не всегда обеспечивает качественное соединение в начальной точке контакта свариваемых заготовок, особенно при плакировании металлических торцевых поверхностей цилиндрических заготовок, и требует повышенной точности в предварительном размещении заготовок относительно друг друга.This method does not always provide a high-quality connection at the initial contact point of the welded workpieces, especially when cladding the metal end surfaces of cylindrical workpieces, and requires increased accuracy in the preliminary placement of the workpieces relative to each other.

При плакировании торцевой поверхности металлической цилиндрической заготовки с уменьшением ее диаметра размер начального участка непровара, оставаясь постоянным, возрастает относительно общей плакируемой торцевой поверхности. Для получения качественного сварного соединения по торцевой поверхности металлической цилиндрической заготовки необходимо исключить образование начального участка непровара в центральной части торцевой поверхности.When cladding the end surface of a metal cylindrical billet with a decrease in its diameter, the size of the initial section of lack of penetration, while remaining constant, increases relative to the total plated end surface. To obtain a high-quality welded joint on the end surface of a metal cylindrical workpiece, it is necessary to exclude the formation of the initial section of lack of penetration in the central part of the end surface.

Изобретение, касающееся получения качественного соединения, исключающего начальные участки непроваров при плакировании неплоской торцевой поверхности металлической цилиндрической заготовки с высокой производительностью, решает эти задачи.The invention relating to the production of a high-quality compound, excluding the initial sections of lack of penetration when cladding a non-planar end surface of a metal cylindrical workpiece with high productivity, solves these problems.

Поставленные задачи достигаются тем, что в предлагаемом способе плакирования торцевой поверхности металлической цилиндрической заготовки с радиусом цилиндра r_ц плакируемая торцевая поверхность выполняется в виде шарового сегмента радиусом шара 2r_ц≤R≤14,33r_ц, основанием шарового сегмента радиусом, равным радиусу обрабатываемой металлической цилиндрической заготовки r_ц и высотой шарового сегмента 0,0344r_ц≤h≤0,268r_ц. На вершине шарового сегмента для запуска механизма волнообразования присутствует выступ высотой, равной амплитуде волны, и диаметром, равным полупериоду волны, образующейся при качественной сварке взрывом плоских листовых заготовок данной пары металлов. Способ предусматривает возможность плакирования одним листом несколько цилиндрических заготовок из одного и того же или разных металлов с различной механической обработкой плакируемых торцевых поверхностей по параметрам R и h с вышеуказанными ограничениями, используя один заряд взрывчатого вещества. Угол соударения метаемого плакирующего листа с торцевой плакируемой поверхностью γ меняется в процессе соударения от 0° до Q°, где Q° - угол между касательной к шаровой поверхности сегмента и горизонтальной плоскостью. При выполнении условий 2r_ц≤R≤14,33r_ц, R_oc=r_ц и 0,0344r_ц≤h≤0,268r_ц значение Q°_max ограничено 30°. Таким образом, выполнение данных условий при механической обработке торцевой поверхности цилиндрической заготовки в данном способе обеспечивает при всех ранее заданных условиях размещения заготовок, заряда ВВ и места его инициирования угол соударения γ в интервале 0°≤γ≤30°. Выполнение шарового сегмента с выступом на вершине высотой, равной амплитуде волны, и диаметром, равным полупериоду волны, образующейся при качественной сварке взрывом плоских листовых заготовок данной пары биметаллов, приводит к запуску механизма волнообразования и увеличению минимально реализуемого угла соударения до 4°. Таким образом, при выполнении всех вышеперечисленных условий в предлагаемом способе в процессе плакирования угол соударения между свариваемыми поверхностями меняется в диапазоне от 4° до 30°. Для основных свариваемых взрывом плоских биметаллов значения γ из интервала от 4° до 30° обеспечивает качественную сварку при прочих равных условиях.These objects are achieved by the fact that in the proposed method of metal plating the end surface of the cylindrical workpiece with the cylinder radius r _i plakiruemaya end face designed as a spherical segment 2r _p _q ≤R≤14,33r ball radius of the ball segment base radius equal to the radius of the cylindrical metal product _q and r workpiece spherical segment height 0,0344r ≤h≤0,268r _q _q. At the top of the spherical segment, a protrusion with a height equal to the amplitude of the wave and a diameter equal to the half-period of the wave formed during high-quality explosion welding of flat sheet blanks of a given pair of metals is present to start the wave formation mechanism. The method provides for the possibility of cladding several cylindrical billets of the same or different metals with one sheet with different machining of the clad end surfaces according to the parameters R and h with the above limitations, using a single explosive charge. The angle of impact of the throwing clad sheet with the end clad surface γ changes during the collision process from 0 ° to Q °, where Q ° is the angle between the tangent to the spherical surface of the segment and the horizontal plane. When performing 2r _p _q ≤R≤14,33r conditions, R _oc = r _p and _q 0,0344r ≤h≤0,268r _q Q ° _max value is limited to 30 °. Thus, the fulfillment of these conditions during the machining of the end surface of a cylindrical billet in this method provides for all previously specified conditions for the placement of the billets, explosive charge and the place of its initiation, the impact angle γ in the range 0 ° ≤γ≤30 °. Performing a spherical segment with a protrusion at the apex with a height equal to the wave amplitude and a diameter equal to the half-wave period generated by high-quality explosion welding of flat sheet blanks of a given pair of bimetals, triggers the wave formation mechanism and increases the minimum realized collision angle to 4 °. Thus, when all of the above conditions are met in the proposed method in the cladding process, the angle of impact between the surfaces to be welded varies in the range from 4 ° to 30 °. For the main explosion-welded flat bimetals, the values of γ from the interval from 4 ° to 30 ° ensure high-quality welding, ceteris paribus.

Результатом изобретения является получение качественного взрывного плакирования неплоской торцевой поверхности металлической цилиндрической заготовки.The result of the invention is to obtain high-quality explosive cladding non-planar end surface of a metal cylindrical workpiece.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 показано положение плакирующего листа и плакируемой торцевой поверхности заготовки перед сваркой.Figure 1 shows the position of the clad sheet and the clad end surface of the workpiece before welding.

На фиг.2 и фиг.3 - то же, в процессе метания и сварки взрывом.Figure 2 and figure 3 is the same in the process of throwing and explosion welding.

На фиг.4 показано положение перед взрывным плакированием плакирующего листа и нескольких цилиндрических заготовок из одного и того же или разных металлов с различной механической обработкой плакируемых торцевых поверхностей.Figure 4 shows the position before the explosive cladding of the clad sheet and several cylindrical blanks from the same or different metals with different machining of the clad end surfaces.

Плакирующий лист 1 (см. фиг.1) устанавливают под углом α к горизонтальной плоскости, проходящей через вершину С плакируемой поверхности 2. При этом величину угла α (см. фиг.2) задают равной величине угла поворота β плакирующего листа 1 в процессе полета от воздействия продуктов взрыва. На плакирующем листе 1 размещают заряд ВВ 3 и устанавливают детонатор 4 в наиболее удаленной точке от плакируемой поверхности 2. Цилиндрическая заготовка 5 с радиусом цилиндра r_ц (см. фиг.1) выполнена с торцевой плакируемой поверхностью 2 в виде шарового сегмента ABC с радиусом шара R, основанием шарового сегмента AB с радиусом основания O₁B=r_ц и высотой шарового сегмента O₁C=h. На вершине шарового сегмента в точке C выполнен выступ 6 высотой h' и диаметром d'. Цилиндрическую заготовку 5 устанавливают на основание 7.The cladding sheet 1 (see FIG. 1) is set at an angle α to a horizontal plane passing through the vertex C of the clad surface 2. Moreover, the angle α (see FIG. 2) is set equal to the rotation angle β of the cladding sheet 1 during flight from exposure to explosion products. A charge BB 3 is placed on the cladding sheet 1 and the detonator 4 is installed at the farthest point from the clad surface 2. A cylindrical blank 5 with a cylinder radius r _c (see FIG. 1) is made with the end clad surface 2 in the form of a spherical segment ABC with a radius of a ball R, AB base spherical segment with a radius of the base ₁ O _p B = r and the height of the spherical segment O ₁ C = h. On the top of the spherical segment at point C, a protrusion 6 is made of height h 'and diameter d'. The cylindrical blank 5 is mounted on the base 7.

Плакирующий лист 1 (см. фиг.2) после инициирования заряда BB 3 приобретает скорость V, направленную вертикально вниз, поворачивается на угол β=α и подается к вершине C плакируемой поверхности 2 горизонтально. От точки соударения в вершине C плакируемой поверхности 2 (см. фиг.3) непосредственно за выступом 6 происходит соединение плакирующего листа 1 с плакируемой поверхностью 2 за счет возникновения между ними угла соударения γ, равного углу между касательной к плакируемой поверхности и горизонтальной плоскостью Q. Значения угла Q и соответствующего ему угла соударения γ в процессе сварки взрывом меняются и зависят от выбранных значений и численных соотношений R, r_ц и h, полученных при механической обработке плакируемой поверхности 2. При выполнении условий O₁B=r_ц; 2r_ц≤R≤14,33r_ц и 0,0344r_ц≤h≤0,268r_ц и выполнении выступа 6 высотой h', равной амплитуде волны, и диаметром d', равным полупериоду волны, образующейся и зафиксированной на микрошлифах при качественной сварке взрывом плоских листовых заготовок данной пары биметалла, значения Q находится в интервале 4°≤Q≤30°. Так как в данном способе в течение всего процесса плакирования взрывом реализуется условие Q=γ, то угол соударения γ в течение процесса изменяется от 4° до 30° и обеспечивает качественное соединение свариваемых поверхностей - торцевой плакируемой поверхности 2 с плакирующим листом 1.The cladding sheet 1 (see FIG. 2) after the initiation of the charge BB 3 acquires a speed V directed vertically downward, rotates an angle β = α and is fed horizontally to the vertex C of the clad surface 2. From the collision point at the vertex C of the plated surface 2 (see FIG. 3), immediately after the protrusion 6, the clad sheet 1 is joined to the plated surface 2 due to the angle of collision γ between them equal to the angle between the tangent to the plated surface and the horizontal plane Q. values of angle q and the corresponding angle γ collision during explosion welding vary and depend on the selected values and numerical ratios R, r _n and h, obtained by machining plakiruemoy surface 2. when configured O and conditions ₁ B = r _i; 2r _p and _q ≤R≤14,33r 0,0344r ≤h≤0,268r _q _q 6 and performing protrusion height h ', equal amplitude waves, and diameter d', a half-cycle wave, formed and fixed on at microsections quality explosion welding flat sheet blanks of a given pair of bimetal, Q value is in the range of 4 ° ≤Q≤30 °. Since in this method the condition Q = γ is realized during the entire explosion cladding process, the angle of impact γ during the process varies from 4 ° to 30 ° and provides a high-quality connection of the surfaces to be welded - the end clad surface 2 with the clad sheet 1.

При плакировании торцевых поверхностей нескольких цилиндрических заготовок (см. фиг.4) плакирующий лист 1 устанавливают под углом α к горизонтальной плоскости, проходящей через вершины плакируемых торцевых поверхностей 2₁, 2₂ и 2₃ цилиндрических заготовок 5₁, 5₂ и 5₃, выполненных из одного или разного материала. Величину угла α задают равной величине угла поворота β плакирующего листа 1 в процессе полета от воздействия продуктов взрыва. На плакирующем листе 1 размещают заряд BB 3 и устанавливают детонатор 4 в наиболее удаленной точке от плакируемых поверхностей 2₁, 2₂ и 2₃. Цилиндрические заготовки 5₁, 5₂ и 5₃ с радиусами r₁, r₂ и r₃ выполнены с торцевыми плакируемыми поверхностями 2₁, 2₂ и 2₃ в виде шаровых сегментов с радиусами шаров R₁, R₂ и R₃, с радиусами оснований шаровых сегментов, равными радиусам цилиндрических заготовок r₁, r₂ и r₃, и высотами шаровых сегментов h₁, h₂ и h₃. На вершине шаровых сегментов выполнены выступы 6₁, 6₂ и 6₃ высотой

,

и

диаметрами

,

и

. Цилиндрические заготовки 5₁, 5₂ и 5₃ устанавливают на основание 7. Плакирующий лист 1 после инициирования заряда BB 3 (см. выше - описание для соударения с единичной заготовкой) взрывом подают к вершинам плакируемых поверхностей 2₁, 2₂ и 2₃ горизонтально. От точек соударения в вершинах плакируемых поверхностей 2₁, 2₂ и 2₃ непосредственно за выступами 6₁, 6₂ и 6₃ происходит соединение плакирующего листа 1 с плакируемыми поверхностями 2₁, 2₂ и 2₃ за счет возникновения между ними различных углов соударения, заданных выше описанными ограничениями, реализуемыми при механической обработке торцевых поверхностей.When cladding the end surfaces of several cylindrical blanks (see figure 4), the cladding sheet 1 is set at an angle α to a horizontal plane passing through the tops of the

clad end faces

2 ₁ , 2 ₂ and 2 _{3 of the}

cylindrical blanks

5 ₁ , 5 ₂ and 5 ₃ , made of one or different material. The angle α is set equal to the angle of rotation β of the cladding sheet 1 during the flight from exposure to explosion products. A charge BB 3 is placed on the cladding sheet 1 and the detonator 4 is mounted at the farthest point from the

clad surfaces

2 ₁ , 2 ₂ and 2 ₃ .

Cylindrical blanks

5 ₁ , 5 ₂ and 5 ₃ with radii r ₁ , r ₂ and r _{3 are} made with end

clad surfaces

2 ₁ , 2 ₂ and 2 ₃ in the form of spherical segments with ball radii R ₁ , R ₂ and R ₃ , s the radii of the bases of the spherical segments equal to the radii of the cylindrical blanks r ₁ , r ₂ and r ₃ , and the heights of the spherical segments h ₁ , h ₂ and h ₃ . On the top of the ball segments made

protrusions

6 ₁ , 6 ₂ and 6 ₃ high

,

and

diameters

,

and

.

Cylindrical blanks

5 ₁ , 5 ₂ and 5 ₃ are installed on the base 7. The cladding sheet 1 after initiating the charge BB 3 (see above - description for impact with a single blank) is fed by explosion to the vertices of the

clad surfaces

2 ₁ , 2 ₂ and 2 ₃ horizontally . From the collision points at the vertices of the

plated surfaces

2 ₁ , 2 ₂ and 2 ₃ immediately after the

protrusions

6 ₁ , 6 ₂ and 6 ₃ , the clad sheet 1 is connected to the

plated surfaces

2 ₁ , 2 ₂ and 2 ₃ due to the occurrence of different collision angles between them defined above by the described restrictions that are realized during the mechanical processing of end surfaces.

Пример конкретного исполнения:A specific example of execution:

По предлагаемому способу в КТФ ИГиЛ СО РАН изготовлены цилиндрические биметаллические переходники медь-сталь с толщиной медного слоя 40 мм, стального - 3 мм и радиусом цилиндра 25 мм. Одна из торцевых поверхностей медной цилиндрической заготовки высотой 40 мм, радиусом 25 мм механически обрабатывали в виде шарового сегмента с радиусом шара 100 мм, основанием шарового сегмента радиусом 25 мм, высотой 3,2 мм с цилиндрическим выступом высотой 1 мм и диаметром 3 мм на вершине. Плакирующий стальной лист размером 100×100×3 мм устанавливали относительно горизонтали, проходящей через вершину плакируемой торцевой поверхности медной заготовки под углом α=11°. В качестве заряда ВВ использовали смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой высотой 18 мм и скоростью детонации 3600 м/с. Значение α=11°=β задавали с учетом проведенных дополнительных экспериментов по сварке взрывом листовой стальной заготовки толщиной 3 мм с медным листом толщиной 6 мм и использованием выше описанного заряда BB. Замеряли угол поворота метаемого стального листа β, он равнялся 11°. На всех цилиндрических переходниках, плакированных по предлагаемому способу, было получено качественное сварное соединение по всей площади контакта меди со сталью.According to the proposed method, KTF IGiL SB RAS made cylindrical bimetallic copper-steel adapters with a copper layer thickness of 40 mm, a steel layer of 3 mm and a cylinder radius of 25 mm. One of the end surfaces of a copper cylindrical billet with a height of 40 mm, a radius of 25 mm was machined in the form of a spherical segment with a ball radius of 100 mm, the base of the spherical segment with a radius of 25 mm, 3.2 mm high with a cylindrical protrusion 1 mm high and 3 mm in diameter at the apex . A cladding steel sheet 100 × 100 × 3 mm in size was set relative to the horizontal passing through the top of the clad end surface of the copper billet at an angle α = 11 °. A mixture of 6GV ammonite with ammonium nitrate 18 mm high and a detonation velocity of 3600 m / s was used as an explosive charge. The value α = 11 ° = β was set taking into account the conducted additional experiments on explosion welding of a sheet of steel billet with a thickness of 3 mm and a copper sheet with a thickness of 6 mm and using the above-described charge BB. Measured the rotation angle of the missile steel sheet β, it was 11 °. On all cylindrical adapters plated according to the proposed method, a high-quality welded joint was obtained over the entire area of contact of copper with steel.

Изобретение позволяет расширить номенклатуру плакируемых изделий.The invention allows to expand the range of clad products.

Claims

1. The method of explosive cladding of the end surface of a metal cylindrical billet by welding to it a clad sheet, set at an angle to the horizontal plane passing through the top of the clad surface, equal to the angle of rotation of the clad sheet during the flight when the explosive charge located on the clad sheet is initiated from the point farthest from the plated surface, characterized in that before installing the plating sheet, the plated end surface is prepared ki is in the form of a spherical segment with a radius 2r ball _q <R <14,33r _q, the base of the spherical segment radius equal machined cylindrical blank r _n, and the height of the spherical segment 0,0344r ≤h≤0,268r _q _n, and the projection on the top of the spherical segment is performed with a height equal to the amplitude of the wave and a diameter equal to the half-period of the wave generated during high-quality explosion welding of flat sheet blanks of a given pair of metals, where
R is the radius of the ball of the spherical segment;
r _c - the radius of the cylindrical workpiece and the base of the spherical segment;
h is the height of the spherical segment.

2. The method according to claim 1, characterized in that the cladding sheet is installed over several cylindrical blanks of the same or different metals with different machining of the clad end surfaces.