Физика металлов и металловедение, 2019, T. 120, № 2, стр. 212-218

ВВЕДЕНИЕ

Высокоскоростное соударение тел при сварке взрывом сопровождается рядом уникальных эффектов и явлений: волнообразование, интенсивная пластическая деформация металла в очень узкой околошовной зоне, кумуляция и образование соединения в течение нескольких микросекунд [1–4].

Одним из определяющих параметров процесса сварки взрывом является скорость соударения, от величины которой зависит как прочность, так и качество формирования границы соединения. Это связано с тем, что при малых значениях скорости соударения сдвиговая пластическая деформация металла в околошовной зоне также мала, и ее недостаточно для образования прочного сварного соединения. С другой стороны, большие скорости соударения приводят к чрезмерной пластической деформации металла, повышенному тепловложению, образованию оплавов и интерметаллидов, снижающих прочность и эксплуатационные свойства сварного соединения. Поэтому для получения высокой прочности и качественного работоспособного соединения необходимо выдерживать скорость соударения для каждой пары свариваемых металлов в оптимальном диапазоне [5–7].

Известно [8–10], что, если на материал, подвергаемый статическому деформированию, воздействовать ультразвуком, характер пластической деформации меняется: изменяется структура, уменьшаются значения предела прочности и текучести, соответствующие данной деформации, т.е. материал становится более пластичным. Вместе с тем вопросы динамического деформирования металла при высокоскоростном соударении тел под воздействием ультразвука мало исследованы [11–13], а их дальнейшее изучение представляет как научный, так и практический интерес.

Целью данной работы является исследование влияния скорости соударения на структуру и свойства свариваемых взрывом материалов под воздействием ультразвука.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

При проведении экспериментов в качестве материалов исследования применяли пластины меди М1, алюминия А5 и стали Ст. 3, толщиной 3.5, 4 и 2 мм соответственно. Сварку взрывом с воздействием ультразвуковых (УЗ) колебаний на неподвижную пластину осуществляли по параллельной схеме (рис. 1) в броневой камере, оборудованной электронной измерительно-регистрационной аппаратурой. Для сравнительной оценки полученных результатов одновременно производили сварку взрывом контрольных образцов тех же пар металлов на идентичных режимах динамического нагружения, но без воздействия ультразвука (контрольные образцы). Параметры высокоскоростного соударения свариваемых металлов рассчитывали с использованием пакета прикладных программ EW Calc [14].

Рис. 1.

Схема сварки взрывом с воздействием ультразвука: 1 – электродетонатор; 2 – заряд ВВ; 3 – метаемая пластина; 4 – неподвижная пластина; 5 – неподвижная пластина с подводом ультразвуковых колебаний; 6 – опорные элементы; 7 – волновод; 8 – пьезокерамический преобразователь; 9 – ультразвуковой генератор.

В качестве ультразвукового генератора использовали установку УЗГИ-2 и специальную колебательную систему (преобразователь с волноводом) повышенной прочности [15]. Замеры микротвердости на границе сварного соединения проводили на приборе METKOM DUROLINE-M. Металлографические исследования выполняли на микроскопе OLYMPUS BX61.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Соединение М1 + М1. Исследование влияния скорости соударения V_с на прочность σ_отр на отрыв слоев медных соединений показало, что во всем диапазоне изменения V_с от 260 до 440 м/с после сварки взрывом с воздействием УЗ-колебаний наблюдается увеличение прочности по сравнению с контрольными образцами. Максимальное значение прочности соединения М1 + М1 с воздействием УЗ-колебаний составляло σ_отр = 277 МПа при скорости соударения V_с = 310 м/с, в то время как в контрольных образцах при той же скорости соударения значение прочности соединения было меньше – σ_отр = 253 МПа (рис. 2).

Рис. 2.

Влияние скорости соударения V_с на прочность σ_отр сваренного взрывом соединения М1 + М1: 1 – сварка взрывом; 2 – сварка взрывом с воздействием УЗ-колебаний.

При этом наибольшая разница в значениях прочности соединения отмечается на режимах, близких к нижней границе области сварки взрывом. Так при скорости соударения V_с = 260 м/с применение ультразвука при сварке взрывом медных образцов позволило получить равнопрочное соединение с прочностью σ_отр = 224 МПа. В контрольных образцах при той же скорости соударения прочность соединения составляла всего 176 МПа, т.е. равнопрочного соединения не удалось получить (рис. 2).

Проведенные металлографические исследования показали, что при сварке взрывом с воздействием УЗ-колебаний на границе соединения М1 + М1 наблюдается уменьшение как параметров волн, так и уменьшение количества оплавленного металла K_опл по сравнению с контрольными образцами. Так, в условиях сварки взрывом с воздействием ультразвука при V_с = 370 м/с количество оплавленного металла на границе соединения составляло K_опл ≈ 28% при размахе волны 2а ≈ 0.06 мм и длине волны λ ≈ 0.16 мм (рис. 3, кривые 2, 4, 6), в то время как при сварке без применения ультразвука значения параметров значительно больше: K_опл ≈ 54%, 2а ≈ 0.14 мм, λ ≈ 0.34 мм (рис. 3, кривые 1, 3, 5). По мере снижения скорости соударения до 260 м/с при сварке взрывом с воздействием УЗ-колебаний в зоне соединения наблюдается постепенное уменьшение, как параметров волн до 2а ≈ 0.03 мм, λ ≈ 0.12 мм, так и количества оплавленного металла до K_опл ≈ 10% (рис. 3, кривые 2, 4, 6). При этом самые маленькие параметры волн и наименьшее количество оплавленного металла на границе соединения М1 + М1 наблюдали в образцах с воздействием ультразвука при V_с = 260 м/с (рис. 4).

Рис. 3.

Влияние скорости соударения V_с на изменение размаха волны 2а (1, 2), длины волны λ (3, 4) и количества оплавленного металла K_опл (5, 6) соединения М1 + М1 при: 1, 3, 5 – сварка взрывом; 2, 4, 6 – сварка взрывом с воздействием УЗ колебаний.

Рис. 4.

Микроструктура границы сваренного взрывом соединения М1 + М1: а – сварка взрывом (V_с = = 370 м/с); б – сварка взрывом с воздействием УЗ-колебаний (V_с = 370 м/с); в – сварка взрывом с воздействием УЗ-колебаний (V_с = 260 м/с).

Исследование влияния скорости соударения V_c на распределение микротвердости НV по толщине соединения М1 + М1 показало, что при сварке взрывом с воздействием УЗ-колебаний наблюдается некоторое увеличение микротвердости по сравнению с контрольными образцами, сваренными без применения ультразвука. Так, при сварке взрывом с воздействием УЗ-колебаний при V_с = 370 м/с максимальное значение микротвердости металла околошовной зоны, измеренное в непосредственной близости от линии соединения, составляло НV = 198 кГс/мм², а для контрольного образца, сваренного на идентичных режимах, микротвердость составляла НV = 172 кГс/мм². С уменьшением V_с до 260 м/с наблюдается снижение микротвердости до 166 кГс/мм² (рис. 5).

Рис. 5.

Распределение микротвердости НV в околошовной зоне по толщине сваренного взрывом соединения М1+М1: 1 – сварка взрывом с воздействием УЗ-колебаний (V_с = 370 м/с); 2 – сварка взрывом с воздействием УЗ-колебаний (V_с = 260 м/с); 3 – сварка взрывом (V_с = 370 м/с).

Соединение А5 + А5. Экспериментально установлено, что во всем диапазоне изменения скорости соударения V_с от 260 до 400 м/с после сварки взрывом с воздействием УЗ-колебаний наблюдается увеличение прочности соединения алюминиевых образцов по сравнению с контрольными образцами без воздействия ультразвука. Максимальное значение прочности соединения А5 + А5 с воздействием УЗ-колебаний составляло σ_отр = 113 МПа при скорости соударения V_с = 290 м/с, в то время как в контрольных образцах при той же скорости соударения значение прочности соединения было меньше – σ_отр = 102 МПа (рис. 6). При этом наибольшая разница в значениях прочности соединения отмечается на средних режимах скоростей соударения при V_с = 290–340 м/с. Следует отметить, что по сравнению со сваркой медных образцов, при сварке взрывом алюминиевых образцов равнопрочное соединение было достигнуто во всем диапазоне исследуемых скоростей соударения как с применением ультразвука, так и без него.

Рис. 6.

Влияние скорости соударения V_с на прочность σ_отр сваренного взрывом соединения А5 + А5: 1 – сварка взрывом; 2 – сварка взрывом с воздействием УЗ-колебаний.

Металлографические исследования показали, что при сварке взрывом с воздействием УЗ колебаний на границе соединения алюминиевых образцов наблюдается (аналогично медным образцам) уменьшение параметров волн и количества оплавленного металла K_опл по сравнению с контрольными образцами. Так, после сварки взрывом с воздействием ультразвука при V_с = 400 м/с количество оплавленного металла на границе соединения А5 + А5 составляло K_опл ≈ 19% при размахе волны 2а ≈ 0.24 мм и длине волны λ ≈ 0.7 мм (рис. 7, кривые 2, 4, 6), в то время как при сварке контрольных образцов значения параметров больше: K_опл ≈ 46%, 2а ≈ 0.29 мм, λ ≈ 0.84 мм (рис. 7, кривые 1, 3, 5). Снижение скорости соударения до 260 м/с при сварке взрывом с воздействием ультразвука закономерно приводит к уменьшению параметров волн и количества оплавленного металла до 2а ≈ 0.18 мм, λ ≈ 0.51 мм и K_опл ≈ 9% (рис. 7 кривые 2, 4, 6). При этом для всех алюминиевых образцов (как с применением ультразвука, так и без него) во всем диапазоне исследуемых скоростей соударения наблюдается стабильная волнообразная граница соединения (рис. 8).

Рис. 7.

Влияние скорости соударения V_с на изменение размаха волны 2а (1, 2), длины волны λ (3, 4) и количества оплавленного металла K_опл (5, 6) соединения А5 + А5 при: 1, 3, 5 – сварка взрывом; 2, 4, 6 – сварка взрывом с воздействием УЗ-колебаний.

Рис. 8.

Микроструктура границы сваренного взрывом соединения А5 + А5: а – сварка взрывом (V_с = = 400 м/с); б – сварка взрывом с воздействием УЗ-колебаний (V_с = 400 м/с); в – сварка взрывом с воздействием УЗ-колебаний (V_с = 290 м/с).

Измерение микротвердости на границе соединения алюминиевых образцов показало, что воздействие УЗ-колебаний в условиях сварки взрывом приводит (аналогично медным образцам) к некоторому увеличению максимальных значений микротвердости HV по сравнению с контрольными образцами, сваренными на идентичных режимах без применения ультразвука. Так при сварке взрывом с воздействием УЗ-колебаний при V_с = 400 м/с максимальное значение микротвердости металла околошовной зоны, измеренное в непосредственной близости от линии соединения, составляло НV = 79 кГс/мм², а для контрольного образца, сваренного на идентичных режимах, микротвердость составляла НV = 58 кГс/мм². С уменьшением V_с до 290 м/с наблюдается снижение микротвердости до 66 кГс/мм² (рис. 9).

Рис. 9.

Распределение микротвердости НV в околошовной зоне по толщине сваренного взрывом соединения А5 + А5: 1 – сварка взрывом с воздействием УЗ колебаний (V_с = 400 м/с); 2 – сварка взрывом с воздействием УЗ колебаний (V_с = 290 м/с); 3 – сварка взрывом (V_с = 400 м/с).

Соединение Ст.3 + Ст.3. Анализ результатов исследования при сварке взрывом образцов из более прочного и твердого металла Ст.3 показал практически аналогичные зависимости и схожую тенденцию изменения параметров, как и при сварке пластичных цветных металлов меди и алюминия.

Максимальное значение прочности соединения Ст.3 + Ст.3 с воздействием УЗ-колебаний составляло σ_отр = 456 МПа при скорости соударения V_с = 430 м/с, в то время как в контрольных образцах при той же скорости соударения значение прочности соединения было меньше – σ_отр = 425 МПа (рис. 10).

Рис. 10.

Влияние скорости соударения V_с на прочность σ_отр сваренного взрывом соединения Ст. 3 + Ст. 3: 1 – сварка взрывом; 2 – сварка взрывом с воздействием УЗ-колебаний.

Металлографические исследования показали, что при сварке взрывом с воздействием УЗ-колебаний на границе соединения стальных образцов наблюдается (аналогично медным и алюминиевым образцам) уменьшение параметров волн и количества оплавленного металла K_опл по сравнению с контрольными образцами без применения ультразвука. Так после сварки взрывом с воздействием ультразвука при V_с = 470 м/с количество оплавленного металла на границе соединения Ст.3 + Ст.3 составляло K_опл ≈ 10% при размахе волны 2а ≈ 0.06 мм и длине волны λ ≈ 0.20 мм (рис. 11, кривые 2, 4, 6), в то время как при сварке контрольных образцов значения параметров больше: K_опл ≈ 23%, 2а ≈ 0.22 мм, λ ≈ 0.40 мм (рис. 11, кривые 2, 4, 6).

Рис. 11.

Влияние скорости соударения V_с на изменение размаха волны 2а (1, 2), длины волны λ (3, 4) и количества оплавленного металла K_опл (5, 6) соединения Ст.3 + Ст.3 при: 1, 3, 5 – сварка взрывом; 2, 4, 6 – сварка взрывом с воздействием УЗ-колебаний.

Рис. 12.

Микроструктура границы сваренного взрывом соединения Ст.3 + Ст.3: а – сварка взрывом (V_с = = 470 м/с); б – сварка взрывом с воздействием УЗ колебаний (V_с = 470 м/с); в – сварка взрывом с воздействием УЗ колебаний (V_с = 390 м/с).

Измерение микротвердости на границе соединения Ст.3 + Ст.3 показало, что в сваренных взрывом стальных образцах с применением ультразвука при V_с = 470 м/с максимальное значение микротвердости составляло НV = 284 кГс/мм², а в контрольных образцах, сваренных на идентичных режимах, микротвердость значительно меньше – НV = 220 кГс/мм² (рис. 13).

Рис. 13.

Распределение микротвердости НV в околошовной зоне по толщине сваренного взрывом соединения Ст.3 + Ст.3: 1 – сварка взрывом с воздействием УЗ колебаний (V_с = 470 м/с); 2 – сварка взрывом с воздействием УЗ колебаний (V_с = 390 м/с); 3 – сварка взрывом (V_с = 470 м/с).

ВЫВОДЫ

1. Экспериментально установлено, что во всем диапазоне изменения скоростей соударения после сварки взрывом с воздействием УЗ-колебаний наблюдается увеличение прочности, микротвердости и уменьшение параметров волн, количества оплавленного металла в исследованных соединениях меди, алюминия и стали по сравнению с контрольными образцами, сваренными на идентичных режимах взрывного нагружения, но без воздействия ультразвука.

2. Показано, что применение ультразвука в процессе сварки взрывом позволяет повысить качество соединений, расширить область свариваемости металлов и обоснованно подойти к оптимизации параметров высокоскоростного соударения, обеспечивающих получение высокопрочных соединений с минимальным развитием структурной и механической неоднородностей.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках “Совета по грантам Президента РФ” (СП-1940.2016.1).