Моделирование и применение высокоскоростных процессов сварки материалов взрывом

Представлен обзор работ белорусских исследователей по теории сварки взрывом. Изложены физические представления, положенные в основу математической модели явления и продемонстрированы возможности численного моделирования процесса формирования соединения при дозвуковом косом соударении. Представлены п...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Автоматическая сварка
Date:	2009
Main Authors:	Смирнов, Г.В., Шуганов, А.Д., Стефанович, Р.В., Ядевич, А.И., Петров, И.В., Коморный, А.А., Конопляник, В.А., Лученок, А.Р., Толошный, А.А., Богданович, П.Т., Дзичковский, О.А.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2009
Subjects:	Научно-технический раздел
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100964
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Моделирование и применение высокоскоростных процессов сварки материалов взрывом / Г.В. Смирнов, А.Д. Шуганов, Р.В. Стефанович, А.И. Ядевич, И.В. Петров, А.А. Коморный, В.А. Конопляник, А.Р. Лученок, А.А. Толошный, П.Т. Богданович, О.А. Дзичковский // Автоматическая сварка. — 2009. — № 11 (679). — С. 33-42. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859724887015292928
author	Смирнов, Г.В. Шуганов, А.Д. Стефанович, Р.В. Ядевич, А.И. Петров, И.В. Коморный, А.А. Конопляник, В.А. Лученок, А.Р. Толошный, А.А. Богданович, П.Т. Дзичковский, О.А.
author_facet	Смирнов, Г.В. Шуганов, А.Д. Стефанович, Р.В. Ядевич, А.И. Петров, И.В. Коморный, А.А. Конопляник, В.А. Лученок, А.Р. Толошный, А.А. Богданович, П.Т. Дзичковский, О.А.
citation_txt	Моделирование и применение высокоскоростных процессов сварки материалов взрывом / Г.В. Смирнов, А.Д. Шуганов, Р.В. Стефанович, А.И. Ядевич, И.В. Петров, А.А. Коморный, В.А. Конопляник, А.Р. Лученок, А.А. Толошный, П.Т. Богданович, О.А. Дзичковский // Автоматическая сварка. — 2009. — № 11 (679). — С. 33-42. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Автоматическая сварка
description	Представлен обзор работ белорусских исследователей по теории сварки взрывом. Изложены физические представления, положенные в основу математической модели явления и продемонстрированы возможности численного моделирования процесса формирования соединения при дозвуковом косом соударении. Представлены простые полуэмпирические методы расчета и приведены примеры некоторых практических работ по сварке и обработке взрывом. Studies of Belarus researchers in theory of explosion welding are reviewed. Physical concepts underlying the mathematical model are described, and capabilities of numerical modelling of the joint formation process at subsonic oblique collision are demonstrated. Simple semi-empirical calculation methods are presented, and examples of practical applications of explosion welding and treatment are given.
first_indexed	2025-12-01T11:03:45Z
format	Article
fulltext	УДК 621.791.13 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ МАТЕРИАЛОВ ВЗРЫВОМ Г. В. СМИРНОВ, д-р техн. наук, А. Д. ШУГАНОВ, Р. В. СТЕФАНОВИЧ, А. И. ЯДЕВИЧ, кандидаты техн. наук, И. В. ПЕТРОВ, А. А. КОМОРНЫЙ, В. А. КОНОПЛЯНИК, А. Р. ЛУЧЕНОК, А. А. ТОЛОШНЫЙ, П. Т. БОГДАНОВИЧ, О. А. ДЗИЧКОВСКИЙ, инженеры (ОХП НИИ импульсных процессов, г. Минск, Беларусь) Представлен обзор работ белорусских исследователей по теории сварки взрывом. Изложены физические предс- тавления, положенные в основу математической модели явления и продемонстрированы возможности численного моделирования процесса формирования соединения при дозвуковом косом соударении. Представлены простые полуэмпирические методы расчета и приведены примеры некоторых практических работ по сварке и обработке взрывом. К л ю ч е в ы е с л о в а : сварка взрывом, высокоскоростная деформация, удар, динамика Использование энергии взрывчатых веществ (ВВ) и эффектов динамической кумуляции для создания новых и композиционных материалов по-прежнему является актуальным направлением исследований. Динамические методы перспективны при создании метастабильных структур с особыми свойствами или химическим составом, для соединения фаз, ко- торые не могут быть получены традиционными ме- тодами, а также в связи с разработкой новых свер- хпрочных композитов на основе нанокристалли- ческих порошков тугоплавких химических соеди- нений. Благодаря кратковременности процесса и высокоэнергетическому импульсному воздействию высоких давлений на вещество, приводящих к из- менению субструктуры, фазовым превращениям, достигаются уникальные физико-механические ха- рактеристики материалов. Работы в области динамики взрывных процес- сов, проводившиеся в БГНПО порошковой ме- таллургии в последние годы, были направлены на развитие этих приоритетных направлений ма- териаловедения. В известных работах О. В. Ро- мана, П. А. Витязя, В. И. Беляева и др. дано фе- номенологическое количественное описание ме- ханизмов течения металла, эволюции сплошной и пористой среды при взрывном коллапсе, в ус- ловиях консолидации и сварки взрывом, ударной термомеханической обработки. Установлены кри- тические параметры процессов и их взаимосвязь со структурой и свойствами материала. С по- мощью численного моделирования обоснованы технологические режимы и созданы методики ин- женерного расчета ударно-волнового импульсно- го нагружения материалов в условиях высокос- коростной деформации. Расширение диапазона технологических режи- мов за счет применения техники высоких тем- ператур и новых схем кумуляции энергии в ди- намическом эксперименте позволило обобщить полученные результаты на случай сварки метал- локерамических композиций. Способом сварки взрывом изготовлены и внедрены слоистые ком- позиционные материалы на основе металлов с рез- ко различающимися физико-механическими свойствами, в том числе на основе тугоплавких металлов и конструкционных материалов, а также порошковые композиционные материалы на ос- нове сверхтвердых материалов. Актуальной на- учной и практической задачей является дальней- шая разработка важных прикладных проблем ско- ростного деформирования металлов, совершенс- твование экспериментальных методов исследова- ния процессов сварки взрывом, ударной термо- механической обработки и консолидации при вы- соких технологических температурах и решение на этой основе задачи получения новых компо- зиционных материалов методами высокоэнерге- тических импульсных технологий. Специфика ударных взаимодействий. Свар- ку взрывом традиционно представляют как про- цесс соединения материалов в твердой фазе, про- исходящий при высокоскоростном косом соуда- рении свариваемых заготовок. Проблема относит- ся к разным аспектам металлофизики, но в первую очередь является задачей механики. Свидетель- ством этого является тот факт, что наибольшие успехи в развитии теории явления связаны с ис- следованиями многочисленной научной школы Института гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН. Совершенствование методов взрывной обра- ботки выдвинуло ряд новых задач, связанных с © Г. В. Смирнов, А. Д. Шуганов, Р. В. Стефанович, А. И. Ядевич, И. В. Петров, А. А. Коморный, В. А. Конопляник, А. Р. Лученок, А. А. Толошный, П. Т. Богданович, О. А. Дзичковский, 2009 11/2009 33 моделированием и расчетом быстропротекающих процессов контактного взаимодействия и дина- мической кумуляции. Характерной особенностью сварки при высокоскоростном косом соударении является струеобразование и формирование вол- нообразной поверхности в контактной зоне. Ди- апазон параметров, в котором наблюдается это явление, как правило, совпадает с областью оп- тимальных режимов или близок к ним, поскольку при волнообразовании происходит самоочищение и активация свариваемых поверхностей, а тип со- ударения становится существенно неупругим. Значительная доля исходной кинетической энер- гии переходит не в энергию упругого сжатия, а в тепловую и в результате интенсивной пласти- ческой деформации контактных слоев, характер- ных даже для тугоплавких материалов (рис. 1), исключается образование при разгрузке растяги- вающих напряжений, способных разрушить сое- динение. Известны попытки объяснить волнообразова- ние при высокоскоростном косом соударении с позиций гидродинамики, вне связи с прочност- ными свойствами металлов и важными техноло- гическими аспектами. С этой точки зрения не уда- ется описать ограничения на эффект образования зародыша обратной струи при умеренных нагруз- ках, появление и неустойчивость которого, как доказано экспериментально, действительно явля- ется причиной образования волновой дорожки на границе раздела и условием самоочищения по- верхности металлов. Так, в работах [1–6] явление анализируется на основе модели несжимаемой жидкости и ассоци- ируется с разными формами гидродинамической неустойчивости. Условия формирования обрат- ной струи перед линией контакта под чрезмерной нагрузкой стали понятны с позиций физики удар- ных волн и теории кумуляции, согласно которым обратная струя формируется в дозвуковой области течения за отходящими от зоны торможения по- тока косыми ударными волнами. Последнее обстоятельство, понятное с позиций модели сжимаемой среды, а также простые прак- тические соображения указывали на необходи- мость использования для сварки ВВ, скорость де- тонации которых заведомо меньше скорости звука в металлах. Однако давление детонации низкос- коростных ВВ существенно ниже бризантных и обнаружилось, что характер явления определяется прочностными характеристиками материалов, и, следовательно, следует строить модели, учиты- вающие их реальные прочностные свойства. По мере накопления экспериментальных дан- ных и их детального анализа, делались попытки установить критерии и построить основы теории процесса сварки взрывом [7–13]. Общим для мно- гих из указанных работ явились четыре необхо- димых условия для определения оптимальных па- раметров сварки (рис. 2). Остановимся кратко на каждом из этих условий: 1) критические условия волнообразования, ус- танавливающие верхний предел интервала пара- метров, в котором наблюдается явление, строго определены лишь для однородных металлов в классических работах по кумуляции. Известные режимы струеобразования для разнородных ме- таллов откорректированы на основании двухмер- ных расчетов для пар, контрастных по свойствам материалов. Критический угол струеобразования Рис. 1. Микроструктуры ( 200) контактных зон при косом соударении пар тугоплавких металлов Mo–W (а), Ti–W (б) Рис. 2. Графическое изображение четырех условий, ограни- чивающих диапазон оптимальных параметров сварки для па- ры титан (Ti B265-GR2) — сталь (A516-70) толщиной 6 и 30 мм соответственно (результаты расчета по программе WMASTER) 34 11/2009 определяет правую на рис. 2 границу скорости точки контакта, за которой, как отмечалось ранее, соударение происходит без образования кумуля- тивной струи и сварка невозможна. В этом случае оценку критического угла соударения γ* для ма- териалов, характеризующихся линейной зависи- мостью скорости ударной волны от массовой ско- рости, проводят следующим образом: θ = ϕ – arctg [tg ϕ – tg ϕ ⁄ s + c ⁄ (sVкc cos ϕ)], (1) ϕ = arcsin[(– b – √⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯b2 – 4ad ) ⁄ (2a)], (2) где a = (1 – 2s)/s; b = (s – 2)c/(sVк); d = c2 sVк 2 + 1; c, s — коэффициенты ударной адиабаты матери- ала; ϕ — угол наклона ударной волны в материале с большей сжимаемостью; θ — угол поворота по- тока в ударной волне; γ = α + β — угол соуда- рения, равный сумме установочного угла между пластинами и угла метания. Для однородных ма- териалов γ* = 2θ. (3) Точная форма этой границы имеет существен- ное значение лишь при сварке композиций с резко различающимися физико-механическими свойс- твами (например, титана и свинца), так как сварка производится при дозвуковой скорости точки кон- такта для материала с меньшей объемной сжи- маемостью. В этом случае γ∗ = ρ1δ1 + ρ2δ2 ρ2δ2 θ, (4) где ρ1,2, δ1,2 — плотности и толщины пластин; 2) минимальная скорость удара метаемой плас- тины должна быть достаточной, чтобы обеспечить пластическую деформацию материала перед ли- нией контакта. Расчет напряжения при соуда- рении производится, как правило, в соответствии с моделью упругого удара. Такая оценка, строго говоря, применима лишь в начальной стадии уда- ра и дает завышенное значение напряжения те- чения. По этой причине Уитман и автор [7] при- ходят к выводу, что расчетное давление при со- ударении должно не менее чем в пять раз пре- восходить значение гюгониевского предела уп- ругости. Другая оценка напряжения течения в соответ- ствии с моделью неупругого удара дает выраже- ние для определения минимальной скорости удара и нижней границы сварки v = Vкγ (рис. 2), по- лученное в работах [8, 10]: v = √⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯2σy(ρ1δ1 + ρ2δ2) ρ1ρ2(δ1 + δ2) . (5) В качестве предела текучести предложено ис- пользовать не его техническое, а динамическое значение при заданной скорости деформации, дав- лении и температуре; 3) по мнению ряда авторов, переход от без- волновой структуры границы соединения к вол- новой должен происходить при строго опреде- ленной для каждой пары металлов скорости те- чения. Используя гидродинамическую модель, ав- торы [5] определили критическую скорость пе- рехода в области относительно низких скоростей как переход от ламинарного течения к турбулен- тному. Уитманом [7] было предложено соотно- шение для определения скорости перехода: Vк = ⎡ ⎢ ⎣ 2Re(HV1 + HV2) ρ1 + ρ2 ⎤ ⎥ ⎦ 1 ⁄ 2 , (6) где Re — число Рейнольдса, имеющее конкретное значение для данной пары материалов. Среднее значение этого параметра для ряда металлов равно 10,6, а при замене значений твердости по Вик- керсу значениями гюгониевских пределов упру- гости, для всех металлов и сплавов Re = 12,6±1,0. Лучшее качество соединения, как утверждали ав- торы, достигается в том случае, когда скорость контакта лишь немного больше скорости перехода (на 50…200 м/с). Эти и другие подобные исследования предс- тавляются важными, поскольку дают прямое ука- зание на то, какая скорость детонации (т. е. тип ВВ), является оптимальной для соединения кон- кретной пары свариваемых материалов. Если ско- рость детонации D существенно превышает зна- чение Vк, используют угловую схему сварки и угол установки α = v Vк – v D. Однако обращает внимание тот факт, что со- отношение (6), следующее из сравнения гидро- динамического давления Бернулли в точке тор- можения потока с гюгониевским пределом теку- чести, по замыслу аналогично уравнению (5) с иной оценкой давления удара. Позже отмечалось [10], что скорость перехода, предложенная Уитманом, связана со скоростью распространения нелинейной поверхностной вол- ны в более жестком материале и резонансом с настигающей ее контактной нагрузкой Vк ≤ 2μ2(1 – ν1) + 2μ1(1 – v2) μ2(2 – ν1) + μ1(2 – ν2) max (√⎯⎯⎯⎯⎯μ1 ⁄ ρ1 , √⎯⎯⎯⎯⎯μ2 ⁄ ρ2 ), (7) где μj, νj — модули сдвига и коэффициенты Пуас- сона материалов. Для случая контакта металла и жидкости имеем в пределе Vк = 2/3√⎯⎯⎯⎯μ ⁄ ρ ; 11/2009 35 4) максимально допустимая скорость метаемой пластины устанавливает так называемую вер- хнюю границу сварки конкретной пары матери- алов. Разрушение связано с повышением темпе- ратуры деформации и появлением оплавленных участков, которые не успевают застыть к моменту прихода волн разгрузки в зону соединения. Со- отношение, определяющее взаимосвязь между максимальной скоростью удара и теплофизичес- кими параметрами свариваемых материалов, предложено Уитманом и аналогичное И. Д. За- харенко [8, 12]: νmax = 1 N ⎛ ⎜ ⎝ TмcV Vк ⎞ ⎟ ⎠ 0,5 ⎛ ⎜ ⎝ ζχсV ρ1δ1Vк ⎞ ⎟ ⎠ 0,25 , (8) где N — константа приблизительно равная 0,1; Tм — температура плавления легкоплавкого ма- териала; сV — объемная скорость звука; ζ — теп- лопроводноcть; χ — удельная теплоемкость. Для разнородных материалов в качестве па- раметров без индексов следует использовать зна- чения для материала, который плавится первым. Существенной деталью анализа Уитмана и др. является необоснованное утверждение о том, что на границе соединения всегда возникают растя- гивающие напряжения ударной разгрузки, а ко- личество выделенного тепла в зоне соединения определяется фиксированной долей энергии уда- ра. В этом случае при заданной критерием 2 тре- буемой скорости удара максимально допустимая скорость оказывается тем меньше, чем больше толщина метаемой пластины. Сварка пластин, толщина которых больше некоторого критичес- кого значения, оказывается невозможной, так как максимально допустимая скорость (7) меньше ми- нимально необходимой (5). Отсутствие в приве- денных формулах параметров, характеризующих теплоту плавления материала, возможных фазо- вых превращений и химических реакций, сущес- твенно снижает их ценность. Тщательные расчеты показывают, что большая часть энергии деформации сосредоточена непос- редственно в зоне деформации и тепловыделение в зоне сварного шва существенно превосходит принятую для расчета рассеянную энергию удара. Если допустить, что вся поглощенная энергия вы- деляется в зоне волнообразования, то оценка кри- тической скорости течения, при которой возмож- но полное оплавление зоны, дает еще одно приб- лизительно постоянное ограничение скорости точки контакта, равное: Vк = √⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯4π ω (ψρ1(ξ1 + χ1Tм) + ρ2(ξ2 + χ2Tм)) (1 + ψ) (ρ1 + ρ2) , (9) где ψ = √⎯⎯⎯⎯⎯⎯max(ρ1, ρ2) min(ρ1, ρ2) ; ξ1,2 — теплоты плавления материалов; ω — доля кинетической энергии, зат- раченной на волнообразование. Для однородных материалов Vк = √⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯2π(ξ + χTм) ⁄ ω . (10) Этот факт, отмеченный экспериментально Р. В. Стефановичем, определяется очевидной вза- имозависимостью величины поглощенной дефор- мационными процессами кинетической энергии и параметров (амплитудой и длиной) волнообра- зования: a ~ λ 2ψ , λ = 2πδ1 ρ1 ρ1 + ρ2 ρ2δ2 ρ1δ1 + ρ2δ2 sin2 γ. (11) Внутренняя область — область вероятной сварки. Однако следует отметить, что попытки ограничить зону свариваемости материалов ли- ниями в координатах (γ, Vк) является следствием гидродинамического подхода к теории сварки и не вполне отражают суть явления. К отмеченному следует добавить несколько за- мечаний о расчете динамических параметров про- цесса и параметров метания. Процесс детонации заряда ВВ описывается упрощенной моделью ус- тановившийся детонационной волны Чепмена– Жуге, которая принимает во внимание только сос- тояние исходного ВВ и конечных продуктов ре- акции, в то время как ширина зоны реакции не учитывается. Решения уравнений газодинамики в совокупности с граничными и начальными усло- виями Чепмена–Жуге оказываются адекватными лишь при достаточно больших размерах заряда, когда ударную волну и область химической ре- акции можно рассматривать как разрыв. Примеры таких расчетов даны на рис. 3, 4 и подробно опи- саны в работах [6, 8, 13]. Для практических расчетов используют фор- мулы, определяющие скорость или угол метания как функцию коэффициента нагрузки [3, 8], и фор- мулы для оценки фазы разгона метаемой плас- тины, например: v = 0,8D√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯3R2 ⁄ (R2 + 5R + 4) ⁄ (k2 – 1) , (12) D = Dmax(1 – x) (1 – e–H ⁄ H min)2(1 – x), (13) h = √⎯⎯R H ⁄ 5, (14) где R — отношение массы ВВ к массе метаемой пластины; k — экспериментальный показатель адиабаты продуктов взрыва; Dmax — предельная скорость детонации; Нmin — критический диаметр плоского заряда; х — доля инертной добавки. На расстоянии h (14) достигается 80 % максимальной 36 11/2009 скорости, определяемой по известной формуле Гарни. Динамика высокоскоростной деформации при сварке металлов взрывом. Допустим, что на всех стадиях рассматриваемого процесса спра- ведливы уравнения динамики сплошной среды, выражающие законы сохранения массы, количес- тва движения и энергии, а также дополнительные определяющие уравнения, которые конкретизиру- ют выбор модели деформируемых сред, как-то связь между напряжениями и деформациями, уравнения состояния и т. п., а также начальные и граничные условия: ∂U ∂t + ∂ ∂z F(U) + 1r 1 ∂r rG(U) + ∂ ∂r P(U) = 0, (15) U = ⎡ ⎢ ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ρ ρu ρν E ⎤ ⎥ ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ , F(U) = ⎡ ⎢ ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ρu p + ρu2 – Szz ρvu – Srz u(E + p – Szz) – vSrz ⎤ ⎥ ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ , P(U) = ⎡ ⎢ ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ 0 0 p – Sϕϕ 0 ⎤ ⎥ ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ , G(U) = ⎡ ⎢ ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ρv ρuv – Szr ρv2 – Srr + Sϕϕ v(E + p – Srr) – uSzr ⎤ ⎥ ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ , (16) где p = p(ρ, I); E = ρI + ρ(u2 + v2)/2. Для металлов уравнение состояния использо- вали в виде p = ∑ i = 0 n ki(1 – ρ0 ⁄ ρ)i + γρ(I – I0), (17) где ki — постоянные экспериментальные пара- метры, ki = 0, если (1 – ρ0/ρ) < 0. Напряжения и скорости деформаций связаны соотношениями Прандтля–Рейса: ∂Srr ∂t = 2μ⎛⎜ ⎝ ∂v ∂r – 13 ⎛ ⎜ ⎝ ∂u ∂z + ∂v ∂r + vr ⎞ ⎟ ⎠ ⎞ ⎟ ⎠ + ⎛⎜ ⎝ ∂v ∂z – ∂u ∂r ⎞ ⎟ ⎠ Szr – μ η ϕSrr, ∂Sϕϕ ∂t = 2μ⎛⎜ ⎝ v r – 13 ⎛⎜ ⎝ ∂u ∂z + ∂v ∂r + vr ⎞ ⎟ ⎠ ⎞ ⎟ ⎠ + μ η ϕSϕϕ, ∂Szz ∂t = 2μ⎛⎜ ⎝ ∂u ∂z – 13 ⎛ ⎜ ⎝ ∂u ∂z + ∂v ∂r + vr ⎞ ⎟ ⎠ ⎞ ⎟ ⎠ – ⎛⎜ ⎝ ∂v ∂z – ∂u ∂r ⎞ ⎟ ⎠ Srz – μ η ϕSzz, ∂Srz ∂t = μ⎛⎜ ⎝ ∂v ∂z + ∂u ∂r ⎞ ⎟ ⎠ – 12 ⎛ ⎜ ⎝ ∂v ∂z – ∂u ∂r ⎞ ⎟ ⎠ Srr – Szz – μ η ϕSrz, (18) ϕ = ⎧ ⎨ ⎩ ⎪ ⎪ 1 – Y√⎯⎯2 √⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯3(Szz 2 + Srr 2 + Sϕϕ 2 + 2Szr 2 ) , если √⎯ 2 3 Y ≤ (SijSij) 1 ⁄ 2, 0 , если √⎯ 2 3 Y > (SijSij) 1 ⁄ 2, где t — время; r, z — эйлеровы координаты (ци- линдрическая симметрия); ρ — плотность; u, v — компоненты вектора скорости w (в направлении соответственно z и r); I — удельная внутренняя энергия; E — плотность полной энергии; p — давление; Sij — девиатор напряжений, который оп- ределялся путем вычитания изотропной компонен- ты из полного тензора напряжений σij = (–pδij + + Sij); Y — динамический предел текучести; μ — модуль сдвига; η — коэффициент вязкости. Принимаем во внимание зависимость динами- ческого предела текучести Y материала и модуля сдвига от интенсивности пластической дефор- мации εp, давления, скорости деформации, плот- ности и температуры, например: Рис. 3. Метание свинцовой пластины скользящей по ее повер- хности детонационной волной D = 4000 м/с. Изобары течения за фронтом детонации [13]. Изобары течения в системе координат, связанной с фронтом детонации х′ = х/Н/2, у′ = = у/Н/2, где Н — величина заряда. Давление на изобарах отнесено к величине kPD, где k — показатель адиабаты, PD = = ρ0D2/(k + 1) — давление на фронте детонации Рис. 4. Скачки давлений в продуктах детонации при метании пакетов пластин [8] 11/2009 37 Y = Y0(1 + βεp)n [1 + bp(ρ0 ⁄ ρ)1 ⁄ 3 – h(T – 300)], Y0(1 + βεp)n ≤ Ymax, (19) Y = 0, если T ≥ Tm, (20) Tm = Tm0(ρ0/ρ)2/3exp[2γ0(1 – ρ0/ρ)], (21) εp = √⎯⎯23 [(εrr p – εzz p )2 + (εrr p – εϕϕ p )2 + + (εzz p – εϕϕ p )2 + 3 ⁄ 2(εrz p )2]1 ⁄ 2, (22) dεik p dt = ϕ 2η Sik, (23) η = η0exp(T0/T), (24) μ = μ0[1 + bp(ρ0/ρ)1/3 – h(T – 300], (25) T = I – I0 3R , где I0 = ∑ j = 0 4 ε0j(1 – ρ0 ⁄ ρ)j. (26) Постоянные параметры Y, β, b, h, Ymin, Tm0, T0, η0 в формулах (17)…(26) определены экспе- риментально для ряда металлов, например, для меди: ρ0 = 8,93, γ0 = 1,99, k1 = 1,386⋅1012, k2 = 2,749⋅1012, k3 = 5,113⋅1012, Y0 = 1,2⋅109, β = 36, n = 0,45, b = 3⋅10–12, h = 3,8⋅10–4, Ymax = 6⋅109, Tm0 = 1790, μ0 = 4,77⋅1011, η0 = 0,5, T0 = 4380, ε00 = –1,178⋅109, ε01 = –2,344⋅109, ε02 = 7,529⋅1010, ε03 = 1,526⋅1011, ε04 = 2,19⋅1011, R = –ε00/900. Для конкретизации вида определяющих соот- ношений при реализации численного эксперимен- та дополнительно используется информация о фи- зических свойствах среды и ее структуре в форме кинетических соотношений для механизмов не- упругой деформации и разрушения. При этом важны свойства скоростной чувствительности ма- териалов, влияющие на процесс динамического поведения [8]. При отсутствии такой информации используют подходы, основанные на термодина- мических представлениях или косвенных экспе- риментальных данных. Для взрывчатки на всех трех стадиях процесса детонации справедливы аналогичные уравнения динамики сплошной среды для многофазного многокомпонентного потока с химическими ре- акциями, выражающие законы сохранения массы, количества движения и энергии [13]. Для того чтобы добиться второго порядка точ- ности как по времени, так и по пространству, при решении конечноразностных аналогов дифферен- циальных уравнений сохранения использован, в частности, метод предиктора-корректора. Для по- лучения неосциллирующих течений дополнитель- но вводилась искусственная вязкость тензорного типа или механизм TVD диссипации Хартена. Это придавало методу стабильность и сохраняло его порядок точности. В качестве примера на рис. 5–7 представлены результаты решения нестационарной задачи об инициировании детонации заряда аммонита тол- щиной 8 мм ударом стального ударника диамет- ром 3 мм, метании алюминиевой пластины тол- щиной 2,5 мм и соударении ее с аналогичной пластиной, отстоящей от первой на расстоянии 2,5 мм. Изучено, в частности, формирование и пове- дение опережающих точку контакта нестационар- ных пластических волн. В зонах на рис. 5, ог- раниченных изолиниями максимального уровня второго инварианта девиатора напряжений, вы- полняется условие текучести, и материал нахо- дится в состоянии пластического течения. В об- ласти первоначально нормального контакта плас- тин с течением времени формируется дозвуковое движение и деформация поверхности. При несим- метричном косом соударении зародыш струи по мере его роста под чрезмерно высоким давлением внедряется в накатывающийся металл своей вер- шиной, формирует прямой и обратный гребни, оставляя пустоты, где накапливаются поверхнос- тные загрязнения и оксиды. Приведенные выше картины течения отражают динамику волновых фронтов при относительно жестких режимах со- ударения, когда возможны искажения формы волн и вихревых зон, обусловленные градиентом про- дольных составляющих скоростей метаемой и не- подвижной пластин. Поскольку в вихревой вол- новой дорожке появляются полости, достижение условия полной прочности совпадает с условиями стабильного формирования умеренной ламинар- ной волны деформации. Лишь на развитых ско- ростных режимах течения геометрические разме- ры деформационных волн не зависят от скоростей точки контакта или скорости удара, и степень пластической деформации в очаге определяется исключительно углом соударения. Рис. 5. Общая картина течения и изолинии второго инвари- анта девиатора напряжений (7,5 мкс) 38 11/2009 Параметрический анализ и систематизация ре- зультатов позволяют оценить напряжение течения и уточнить полуэмпирические критерии, приве- денные выше, определяющие минимально необ- ходимый для неупругого соударения вектор ско- рости удара (его модуль и направление), при ко- тором пластические волны начинают опережать подвижный контакт и приводят к выдавливанию поверхностных слоев в направлении движения схлопывающихся металлических пластин. Пере- ходные режимы течения от первоначально нор- мального сверхзвукового к дозвуковому по всем модам волн (упругой, пластической, поверхнос- тной) (рис. 7) однозначно связываются с необ- ходимыми условиями для сварки взрывом. Когда свариваемые металлы обладают равной или нез- начительно отличающейся прочностью, выраже- ние типа (5) не противоречит экспериментальным данным. Однако при определении нижней гра- ницы сварки несходных металлов, если они су- щественно отличаются по прочности (динамичес- кому пределу текучести), возникает вопрос от- носительно того, прочность какого металла выб- рать в уравнении типа (5). Численные расчеты, выполненные в рамках усложненной модели плас- тического течения, дают представление о том, как происходит возбуждение механизма волнообра- зования, связанного с пластической деформацией впереди точки контакта. Поочередное выдавли- вание и проникновение металлов перед точкой контакта с частотой Vк/λ мыслимо, если сопро- тивление внедрению струи периодически изме- няется. Расчет подтверждает, что пределы теку- чести существенно изменяются уже в начальной стадии удара. Поток поверхностных слоев коор- динируется скоростью деформации, параметры микроструй на умеренных режимах определяются скоростной зависимостью напряжения течения металлов. При этом динамический предел теку- чести является адекватной характеристикой соп- ротивления металла пластическому деформирова- нию, поскольку процесс сопровождается очень высокими скоростями деформации ε⋅ = Vк/λ и его значение существенно превышает статическое. Несмотря на то что сопротивление металлов плас- тической деформации при высокой скорости де- формации увеличивается, не удается обосновать предположение о выравнивании динамических пределов текучести и приближении их к значе- ниям теоретической прочности кристалла на сдвиг μb/2πa. Более существенным оказывается резкий рост температуры деформации. Проника- ющая способность микроструй при этом практи- чески не зависит от характеристик прочности мяг- кого металла пары и определяется в большей сте- пени пределом текучести твердого, как, например, в случае контрастной по свойствам пары титан– свинец, вольфрам–медь и т. п. Рис. 6. Изобары при метании и соударении двух алюминие- вых дисков толщиной 2,5 мм (6,5 мкс) Рис. 7. Картины течения, соответствующие 7,00 (а) и 7,50 мкс (б) (выпучивания первого горба) 11/2009 39 Таким образом, в диапазоне малых скоростей и углов соударения, близком к упругой зоне, когда деформации малы и температурная зависимость предела текучести еще не так заметна, напряже- ние течения определяется сжатием, деформацией его и скоростью деформации. В то же время на развитых режимах оно главным образом опреде- ляется вязким сопротивлением деформированию, которое достигает существенных значений, а зна- чение удельной работы вязких сил того же по- рядка, что и теплота плавления. Параметры кумуляции определяют долю энер- гии, рассеиваемой в зоне удара, и явления, свя- занные с верхней границей сварки. Анализ чис- ленного эксперимента показывает, что скорость струи при попеременном выдавливании ее из зоны соударения близка к скорости точки контакта, оп- ределяемой скоростью поверхностной пластичес- кой волны, а порции энергии пластической де- формации на единицу ширины зоны, выбрасы- ваемой за время цикла l/Vк, пропорциональны ве- личине μiλi 2 и соответственно удельная мощность ~ λ √⎯⎯⎯⎯⎯μ3 ⁄ ρ . Независимость критического значения скорос- ти перехода от угла соударения, как отмечалось выше, была установлена экспериментально. До- полнительная экспериментальная проверка кри- терия продолжена в опытах при повышенных тех- нологических температурах по соударению плас- тин вольфрама, молибдена и меди, плакированной тонкими слоями титана, молибдена или железа, с нагревом либо одной метаемой (вольфрамовой пластины) либо обеими пластинами. При высо- котемпературном нагреве выше температуры хрупкости тугоплавкой компоненты вплоть до температуры рекристаллизации твердость матери- ала резко падала, как и значения, рассчитанные по критерию Уитмана, в то время как граница перехода и граница сварки изменялась не столь существенно (1300…1400 м/с для углов соударе- ния в пределах от 10…15°). Это свидетельствует либо о высоком значении вязкости металлов либо об относительно высокой прочности решетки на сдвиг. Значение модуля сдвига металлов, которое падает в этом случае, не более чем на 20 %, лучше коррелирует с данными эксперимента. Постоян- ство скорости перехода, отмеченное Уитманом, Кованом и Хольцманом, связано с закономернос- тями распространения поверхностных упругих и пластических волн, особенности в поведении ко- торых при скоростях, близких к скорости первой моды поверхностной волны, отмечались экспери- ментально А. И. Ядевичем. Аналогичные процессы перераспределения энергии удара, нагрева поверхности частиц де- формацией и схватывание (консолидация) проис- ходят при прохождении достаточно мощной удар- ной волны в порошковой или пористой среде. Численный анализ экспериментов по консоли- дации показал, что режим микрокумуляции в по- рах контакта частиц в первую очередь опреде- ляется скоростью потока за фронтом ударной вол- ны, которая должна быть сравнима, как и при сварке взрывом, со скоростью волн сдвига. Плот- ность рассеиваемой энергии по контактам частиц в этом случае существенно зависит от ориентации частиц по отношению к фронту и массовой ско- рости потока за ударной волной. Мощность рас- сеивания пропорциональна δ √⎯⎯⎯⎯⎯μ3 ⁄ ρ , где δ опре- деляется размером частиц, их формой и ориен- тацией. Процесс импульсной сварки-консоли- дации при обработке высокомодульных соедине- ний требует очень больших скоростей нагружения и соответственно давлений, недостижимых в ус- ловиях реального эксперимента. Как показывает расчет, небольшое время воздействия на частицы порошка не позволяет прогреть их гомогенно, что определяет разброс характеристик прочности ком- пакта. В том случае, если микрокумуляция не мо- жет быть достигнута на ударном фронте, удов- летворяя упомянутым выше требованиям сварки, можно получить необходимую температуру и ус- ловия деформации методом горячего ударного прессования. Альтернативный холодному прессо- ванию подход заключается в предварительной термической активации процесса для снижения критических значений скорости обработки. Применение импульсных способов сварки и обработки. ГНПО порошковой металлургии с 1968 г. производит способом сварки взрывом би- металлы под последующую прокатку и сварку прокаткой. По признанию ведущих специалистов Беларусь производит наиболее широкую гамму биметаллов различного назначения. Эффектив- ность использования новых изделий в промыш- ленности, экономия дефицитных и дорогих ма- териалов, электроэнергии обеспечиваются за счет сочетания в композитах разнородных материалов, обладающих комплексом требуемых свойств: кор- розионной стойкостью, поверхностной твердостью, износостойкостью, стойкостью к удару, вязкостью, прочностью, теплопроводностью, коэффициентами термического расширения, электрическими и маг- нитными характеристиками (рис. 8). Высокие служебные характеристики биметал- лических плит на основе конструкционных ма- териалов с плакировкой из титана, тантала, нер- жавеющей стали для сосудов атомной, химичес- кой и вакуумной техники позволяют использовать их в самых ответственных конструкциях при од- новременном воздействии высокой температуры, пара, давления, химических реагентов и т. п. Пла- кирование взрывом эффективно при изготовлении трубных досок теплообменных аппаратов, тяже- лонагруженных подшипников скольжения, акси- 40 11/2009 Рис. 8. Материалы и изделия, полученные способом сварки и консолидации взрывом: а — переходники электролизеров медь–титан и алюминий–сталь повышенной термостойкости; б — панели из легких сплавов алюминия; в — теплообменники титан–медь, алюминий–титан; г — рабочие органы почвообрабатывающих машин; д — заготовки из циркониевой бронзы и молибдена; е — многослойные композиционные материалы; ж — заготовки коаксиально плунжерных насосов; з, и — композиционные изделия для микроэлектроники Cr, Ti–W, Ni–Cr–Si (з) и силициды Ti, W, Mo, Ta (и) 11/2009 41 ально-поршневых насосов, биполярных электро- дов для гидрометаллургии, панелей из легких сплавов, ультразвуковых панелей, всевозможных переходников в сочетании более чем 300 пар раз- нородных металлов и сплавов, армированных композиционных материалов и многих других. Пакетная сварка металлов прокаткой в сочетании с плакированием взрывом расширяет технологи- ческие возможности метода и номенклатуру сва- риваемых материалов, снимает ограничения по максимальной толщине слоистых композиций. В последние годы в объединении предложена и реализована на специальных установках обработ- ка взрывом, включающая предварительный высо- котемпературный нагрев и вакуумирование обра- батываемого материала, ударную сварку и после- дующую скоростную закалку. Расширение диапа- зона термодинамических состояний вещества поз- волило получить компакты и материалы из ком- позиционных материалов и порошков, в том числе тугоплавких химических соединений с сильными ковалентными связями (нитридных, карбидных, бо- ридных, силицидных). Развитие этих работ позво- лило сформировать новые направления исследо- ваний на длительную перспективу. 1. Abrahamson G. R. Residual periodical deformations of sur- face under action of moving jet // Proc. of ASMI, Ser. E, Appl. Mechanics. — 1961. — 28, № 4. — P. 45–55. 2. Cowan G. R., Holtzman A. H. Flow configurations in colli- ding plates: explosive banding // J. Appl. Phys. — 1963. — 34, № 4. — P. 928–939. 3. Deribas A. A., Kudinov V. M., Matveenkov F. I. Effect of ini- tial parameters on process of wave formation during explosi- on welding of metals // Phys. of Combustion and Explosion. — 1967. — 3, № 4. — P. 561–568. 4. Godunov S. K. et al. Wave formation during explosion wel- ding // J. Appl. Mechanics and Techn. Phys. — 1971. — № 3. — P. 63–73. 5. Cowan G. R., Bergmann O. R., Holtzman A. H. Mechanism of bond zone wave formation in explosionclad metals // Me- tallurg. Trans. — 1971. — 2, № 11. — P. 3145–3155. 6. Дерибас А. А. Физика упрочнения и сварки взрывом. — Новосибирск: Наука, 1972. — 188 с. 7. Карпентер С. Сварка металлов взрывом. — Минск: Бе- ларусь, 1976. — 43 с. 8. Беляев В. И., Ковалевский В. И., Смирнов Г. В., Чекан В. А. Высокоскоростная деформация металлов. — Минск: Наука и техника, 1976. — 224 с. 9. Кудинов В. Д., Коротеев А. Я. Сварка взрывом в метал- лургии. — М.: Металлургия, 1978. — 168 c. 10. Ковалевский В. Н., Беляев В. И., Смирнов Г. В. Anwen- dungsmoglichkeiten des Explosionsschweibens fur die Hers- tellung von Verbundmaterialien // Z. Metallkunde. — 1979. — 2. 11. Захаренко И. Д. Сварка металлов взрывом. — Минск: Наука и техника, 1990. — 205 с. 12. Petushkov V. G., Simonov V. F., Sedykh V. S., Fadeenko Yu. I. Explosion welding criteria. — Cambrige, 1996. — 127 p. 13. Смирнов Г. В. Эффекты динамической кумуляции. — Минск: Ремико, 1999. — 160 с. The paper presents a review by Byelorussian researchers on the theory of explosion welding. Physical concepts, which are the basis of the mathematical model of this phenomenon, are described, and the capabilities of numerical simulation of the process of joint formation subsonic oblique collision. Simple semi-empirical methods of calculation are presented and examples of some practical work on explosion welding and treatment are given. Поступила в редакцию 18.06.2009 XIII РЕСПУБЛИКАНСКАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «СВАРКА И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА» Казахстан, Караганда, 10–11 декабря 2009 г. 10–11 декабря 2009 г. в Караганде состоится XIII Республиканская научно-техническая конфе- ренция «Сварка и контроль качества», которую проводят Карагандинский государственный технический университет и «Аттестационный центр по неразрушающему контролю». На конференции будут рассматриваться вопросы теории и практики сварочного производства и неразрушающего контроля, а также подготовки кадров для этих сфер деятельности. В рамках конференции пройдет совещание главных специалистов по вопросам подготовки и аттестации сварщиков и специалистов сварочного производства в Казахстане. Контакты: тел. 8-7212-33-56-06; сот. 8-701-34-131-34; тел./факс: 8-7212-72-17-41 «Аттестационный центр по неразрушающему контролю»; E-mail: brodnikov@ngs.ru; brodnikov55@mail.ru (Бродников Владислав Михайлович); igor_svar@mail.ru (Бартенев Игорь Анатольевич) 42 11/2009
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100964
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0005-111X
language	Russian
last_indexed	2025-12-01T11:03:45Z
publishDate	2009
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
record_format	dspace
spelling	Смирнов, Г.В. Шуганов, А.Д. Стефанович, Р.В. Ядевич, А.И. Петров, И.В. Коморный, А.А. Конопляник, В.А. Лученок, А.Р. Толошный, А.А. Богданович, П.Т. Дзичковский, О.А. 2016-05-28T15:49:04Z 2016-05-28T15:49:04Z 2009 Моделирование и применение высокоскоростных процессов сварки материалов взрывом / Г.В. Смирнов, А.Д. Шуганов, Р.В. Стефанович, А.И. Ядевич, И.В. Петров, А.А. Коморный, В.А. Конопляник, А.Р. Лученок, А.А. Толошный, П.Т. Богданович, О.А. Дзичковский // Автоматическая сварка. — 2009. — № 11 (679). — С. 33-42. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100964 621.791.13 Представлен обзор работ белорусских исследователей по теории сварки взрывом. Изложены физические представления, положенные в основу математической модели явления и продемонстрированы возможности численного моделирования процесса формирования соединения при дозвуковом косом соударении. Представлены простые полуэмпирические методы расчета и приведены примеры некоторых практических работ по сварке и обработке взрывом. Studies of Belarus researchers in theory of explosion welding are reviewed. Physical concepts underlying the mathematical model are described, and capabilities of numerical modelling of the joint formation process at subsonic oblique collision are demonstrated. Simple semi-empirical calculation methods are presented, and examples of practical applications of explosion welding and treatment are given. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Моделирование и применение высокоскоростных процессов сварки материалов взрывом Modelling and application of high-velocity explosion welding processes Article published earlier
spellingShingle	Моделирование и применение высокоскоростных процессов сварки материалов взрывом Смирнов, Г.В. Шуганов, А.Д. Стефанович, Р.В. Ядевич, А.И. Петров, И.В. Коморный, А.А. Конопляник, В.А. Лученок, А.Р. Толошный, А.А. Богданович, П.Т. Дзичковский, О.А. Научно-технический раздел
title	Моделирование и применение высокоскоростных процессов сварки материалов взрывом
title_alt	Modelling and application of high-velocity explosion welding processes
title_full	Моделирование и применение высокоскоростных процессов сварки материалов взрывом
title_fullStr	Моделирование и применение высокоскоростных процессов сварки материалов взрывом
title_full_unstemmed	Моделирование и применение высокоскоростных процессов сварки материалов взрывом
title_short	Моделирование и применение высокоскоростных процессов сварки материалов взрывом
title_sort	моделирование и применение высокоскоростных процессов сварки материалов взрывом
topic	Научно-технический раздел
topic_facet	Научно-технический раздел
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100964
work_keys_str_mv	AT smirnovgv modelirovanieiprimenenievysokoskorostnyhprocessovsvarkimaterialovvzryvom AT šuganovad modelirovanieiprimenenievysokoskorostnyhprocessovsvarkimaterialovvzryvom AT stefanovičrv modelirovanieiprimenenievysokoskorostnyhprocessovsvarkimaterialovvzryvom AT âdevičai modelirovanieiprimenenievysokoskorostnyhprocessovsvarkimaterialovvzryvom AT petroviv modelirovanieiprimenenievysokoskorostnyhprocessovsvarkimaterialovvzryvom AT komornyiaa modelirovanieiprimenenievysokoskorostnyhprocessovsvarkimaterialovvzryvom AT konoplânikva modelirovanieiprimenenievysokoskorostnyhprocessovsvarkimaterialovvzryvom AT lučenokar modelirovanieiprimenenievysokoskorostnyhprocessovsvarkimaterialovvzryvom AT tološnyiaa modelirovanieiprimenenievysokoskorostnyhprocessovsvarkimaterialovvzryvom AT bogdanovičpt modelirovanieiprimenenievysokoskorostnyhprocessovsvarkimaterialovvzryvom AT dzičkovskiioa modelirovanieiprimenenievysokoskorostnyhprocessovsvarkimaterialovvzryvom AT smirnovgv modellingandapplicationofhighvelocityexplosionweldingprocesses AT šuganovad modellingandapplicationofhighvelocityexplosionweldingprocesses AT stefanovičrv modellingandapplicationofhighvelocityexplosionweldingprocesses AT âdevičai modellingandapplicationofhighvelocityexplosionweldingprocesses AT petroviv modellingandapplicationofhighvelocityexplosionweldingprocesses AT komornyiaa modellingandapplicationofhighvelocityexplosionweldingprocesses AT konoplânikva modellingandapplicationofhighvelocityexplosionweldingprocesses AT lučenokar modellingandapplicationofhighvelocityexplosionweldingprocesses AT tološnyiaa modellingandapplicationofhighvelocityexplosionweldingprocesses AT bogdanovičpt modellingandapplicationofhighvelocityexplosionweldingprocesses AT dzičkovskiioa modellingandapplicationofhighvelocityexplosionweldingprocesses

Моделирование и применение высокоскоростных процессов сварки материалов взрывом

Institution

Similar Items