Upload
adam-pabinski
View
244
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Zgrzewanie wybuchem
Prowadzący:Dr inż. Ryszard Gorockiewicz
Opracował: Adam Pabiński
11 MiBM S2
szerokim zakresem możliwości łączenia różnych metali, nawet takich, których spajanie innymi metodami jest trudne lub niemożliwe, tabl.
dobrymi własnościami mechanicznymi i technologicznymi połączeń.
Zgrzewanie wybuchowe zalicza się do grupy mechanicznych metod spajania i wyróżnia się wśród innych m.in.:
Zgrzewanie wybuchowe jest wykorzystywane najszerzej
do platerowania metali głównie w postaci blach.
Wybuchowo wytwarza się na gotowo albo po zgrzaniu poddaje się walcowaniu. Wybór sposobu
wytwarzania zależy od wymaganych wymiarów i własności blachy platerowanej. Blachy platerowane
stosuje się do wytwarzania zbiorników wysokociśnieniowych, ścian sitowych wymienników
ciepła, elementów aparatury chemicznej, pojemników odpadów nuklearnych, płyt
przeciwpancernych, folii jubilerskich, monet, naczyń kuchennych. Jako materiały pokrywające stosuje się
m.in.: stale nierdzewne, mosiądze, brązy, miedź, aluminium i jego stopy, stopy niklu, tytanu,
cyrkonu, wolframu.
Blachy platerowane
Zgrzewanie wybuchowe polega na łączeniu dwóch lub więcej
elementów metalowych za pomocą energii wyzwalającej się przy
detonacji materiału wybuchowego, co przedstawiono schematycznie na
rysunku.
Schemat zgrzewania wybuchowego z ułożeniem płyt łączonych pod kątem α (a) i ułożeniem równoległym (b); 1 – materiał wybuchowy, 2 – podkładka
ochronna, 3 – zapalnik, 4 – płytka platerowana, 5 - płyta platerująca, 6
- podpora
Łączone płyty (4) i (5) mogą być ustawione względem siebie pod określonym kątem α
(a), bądź równolegle (b). Na płycie (4) ułożonej na masywnym podłożu
umieszczona jest podpora (6) oddzielająca łączoną cieńszą płytę (5), na powierzchnię
której nałożona jest podkładka ochronna (2) z warstwą kruszącego materiału
wybuchowego (1) i detonatorem (3).
Płyta nastrzeliwana pod wpływem detonacji, której front przesuwa się z prędkością
detonacji D, jest w sposób ciągły odrzucana i odginana o kąt δ co powoduje, że
zderzenie płyt następuje pod kątem β = α + δ, dla układu ze wstępnym kątem α (a) lub
β = δ dla układu równoległego. Kąt β nazywa się kątem zderzenia, a kąt δ -
kątem odrzutu.
Zderzenie dwóch ciał stałych powoduje powstanie wewnętrznych ciśnień w sąsiedztwie punktu kolizji. Ciśnienia przy zderzeniu metali osiągają wartości rzędu dziesiątek tysięcy MPa
i wystarczają, aby pomijając wytrzymałość materiału, traktować ruch metali w obszarze
zderzenia jako przepływ ściśliwego, nielepkiego płynu. Wynika stąd, że zderzenie ukośne płyt
metalowych, któremu towarzyszy powstawanie strumienia usuwającego warstewki
powierzchniowe (tlenkowe) z metalu, można traktować jako zderzenie dwóch strumieni
cieczy.
Mechanizm zgrzewania wybuchowego nie został dotychczas w pełni wyjaśniony. Przyjmuje się, że zgrzewanie wybuchowe jest następstwem
współdziałania ze sobą wielu procesów w obszarze zderzenia. Do najważniejszych
zalicza się: samooczyszczanie powierzchni, formowanie się fal międzypowierzchniowych,
procesy cieplne, odkształcenie plastyczne, działanie naprężeń rozciągających. Procesowi zgrzewania towarzyszą zjawiska rekrystalizacji
i dyfuzji, które przebiegają głównie bezpośrednio po uformowaniu połączenia i wpływają znacząco na własności połączeń.
Schemat procesu zgrzewania wybuchowego płyt ułożonych
wstępnie pod kątem α;
ß - kąt zderzenia, vD – szybkość łączenia, vZ – szybkość przemieszczania
nastrzeliwanej płyty,
W procesie zgrzewania wybuchowego przy odpowiednich parametrach powstają cykliczne odkształcenia zgrzewanych
powierzchni. Odkształcenia te ze względu na ich kształt i charakter nazywa się falami
międzypowierzchniowymi. Ich długość i amplituda są funkcją wielu czynników.
Odkształcenie plastyczne zderzających się powierzchni płyt jest jednym z
podstawowych warunków uzyskania połączenia przy zgrzewaniu, głównie przez
spowodowanie dostatecznego zbliżenia zgrzewanych powierzchni.
Ponadto zgrzewaniu wybuchowemu towarzyszy powstawanie na powierzchni
nastrzeliwanej płyty w obszarze zderzenia płyt naprężeń ściskających, na których froncie wytwarzają się bardzo wysokie
ciśnienia w czasie bardzo krótkiego czasu działania rzędu kilku mikrosekund.
Możliwości łączenia metodą zgrzewania wybuchem wybranych metali i stopów
Ogólna charakterystyka połączeń zgrzewanych wybuchem
Geometria i budowa zgrzein wybuchowych zależy przede
wszystkim od rodzaju łączonych metali, parametrów zgrzewania,
grubości zgrzewanych elementów, rodzaju podłoża i przygotowania powierzchni.
połączenia płaskie bez warstwy pośredniej, połączenia faliste, połączenia z ciągłą warstwą pośrednią.
Niezależnie od rodzaju zgrzewanych metali można wyróżnić trzy podstawowe typy połączeń
uzyskiwane przy różnych parametrach zgrzewania:
bez warstwy pośredniej, tworzą się przy małych prędkościach przebiegu zgrzewania. Mają charakter typowo adhezyjny. Przyległe do powierzchni kontaktowej warstwy metali
mają znacznie odkształcone ziarna w kierunku zgodnym z kierunkiem detonacji.
Połączenia płaskie
tworzą się przy większych prędkościach zgrzewania niż połączenia płaskie bez warstwy pośredniej. Wzrost
prędkości zgrzewania powoduje powstanie w połączeniu obszarów warstwy pośredniej, która jest stopioną i
zakrzepniętą warstwą metalu podczas procesu zgrzewania. W praktyce dąży się do uzyskania połączeń
falistych bez warstwy pośredniej lub z niewielkim jej udziałem, ponieważ posiada ona dużą twardość, strukturę
dendrytyczną z licznymi defektami w postaci jam usadowych, pęknięć, pęcherzy. Struktura metali w warstwach przyległych do powierzchni kontaktowej
istotnie zależy od wielkości obszarów stopionych podczas łączenia, które są źródłem ciepła. Jeśli te obszary są
niewielkie lub ich brak, to w warstwach przyległych do powierzchni kontaktowej występują skutki odkształcenia plastycznego na zimno – linie poślizgu, wydłużone ziarna.
Obecność obszarów stopionych o znacznej wielkości powodują zanik tekstury walcowania, rekrystalizację i
rozrost ziarn.
Połączenia faliste
tworzą się przy dużych prędkościach zgrzewania, w przybliżeniu odpowiadających prędkości rozchodzenia się dźwięku w zgrzewanych
metalach. Zgrzane metale są połączone ze sobą warstwą stopionego i zakrzepniętego metalu podczas zgrzewania. W obszarze
przyległym do warstwy pośredniej występuje szeroka strefa zmian strukturalnych, w której zanika tekstura walcowania i zgniot wywołany procesem łączenia, a ziarna ulegają rozrostowi.
Połączenia takie mają bardzo dużą wytrzymałość na rozciąganie i twardość ale są kruche, dlatego nie są stosowane w praktyce.
Połączenia z ciągłą warstwą pośrednią
wytrzymałość nie mniejsza niż wytrzymałość słabszego z łączonych metali,
budowa falista (najkorzystniej fale o niewielkiej długości i wysokości) z możliwie naj-mniejszym udziałem obszarów stopionych.
Podstawową zasadą oceny zgrzein wybuchowych są:
Blachy platerowane stanowią tworzywo konstrukcyjne, które
powinno mieć określoną podatność do przetwórstwa. Podstawowymi próbami badania jakości połączeń
platerowanych, poza przewidzianymi przez PN-79/H-92140, są : próba ścinania oraz próba odrywania.
Przykłady połączeń zgrzewanych wybuchem
Materiały te można zgrzewać w dość szerokim zakresie parametrów, co powoduje uzyskiwanie
połączeń o zróżnicowanej budowie i własnościach. Cechą wspólną tych połączeń, niezależnie od warunków połączenia, jest charakterystyczna
budowa strefowa, w której wyróżnia się: warstwę pośrednią łączącą obie zgrzewane stale, w stali niestopowej – strefę o jasnych ziarnach
byłego perlitu, strefę o strukturze iglastej, którą tworzą wydłużone subziarna, oraz strefę o niezmienionej strukturze ferrytyczno-perlitycznej,
w stali nierdzewnej – strefę o dużym odkształceniu plastycznym (zdeformowane ziarna, bliźniaki)
Stal niestopowa platerowana stalą nierdzewną
Mikrostruktura połączenia stali 1H18N9T- St3, wytworzonego metodą zgrzewania wybuchowego, pow. 100x (a), pow. 500x (b). Traw. nital
Główna trudność spajania stali z aluminium polega na tworzeniu się kruchych warstw
międzymetalicznych w obszarze połączenia, co uniemożliwia stosowanie tradycyjnych metod łączenia tych dwóch materiałów.
Platerowanie wybuchem przebiegające w ułamkach sekund powoduje, że powstające
warstewki faz międzymetalicznych mają bardzo małą grubość i występują tylko na ograniczonym obszarze jako wtrącenia.
Stal niestopowa (węglowa) platerowana aluminium
Połączenia stali z aluminium uzyskuje się tylko w bardzo ograniczonym zakresie
parametrów zgrzewania. Charakteryzuje je połączenie faliste, o wytrzymałości Ro około 140 MPa. Większą wytrzymałość uzyskują
połączenia stali ze stopami aluminium przez przekładkę z czystego aluminium, co
znajduje szerokie zastosowanie przemysłowe.
Mikrostruktura połączenia metodą wybuchową stali niestopowej z aluminium. W obszarze połączenia widoczne wydzielenia fazy przejściowej oraz silne odkształcenie plastyczne stali. Traw. nital
Mikrostruktura połączenia metodą wybuchową stali niestopowej z aluminium, z przekładką z miedzi. W obszarze połączenia widoczne silne odkształcenie plastyczne stali. Traw. nital
Połączenia takie są uzyskiwane w szerokim zakresie parametrów zgrzewania. Wzdłuż
granicy falistego połączenia tych materiałów występuje strefa przemieszania
o bardzo zróżnicowanej budowie, zawierająca wtrącenia miedzi i stali, a także
odcinki bezpośredniego, bezdyfuzyjnego połączenia miedzi ze stalą. Własności
mechaniczne połączeń stali gat. St3 i miedzi M3 wynoszą: Ro = 280 ÷ 320 MPa i Rs = 200
÷ 280 MPa.
Stal niestopowa (węglowa) platerowana miedzią