Принципы расчета режимов сварки взрывом металлических слоистых композитов
Рассмотрены принципы расчета и оптимизации параметров сварки взрывом металлических слоистых композитов. В качестве универсального критериального параметра, увязывающего свойства свариваемых материалов и режимы сварки, выбрана энергия пластической деформации металла околошовной зоны при высокоскорост...
Gespeichert in:
| Datum: | 2007 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2007
|
| Schriftenreihe: | Автоматическая сварка |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101916 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Принципы расчета режимов сварки взрывом металлических слоистых композитов / С.В. Кузьмин, В.И. Лысак, С.В. Хаустов, Т.Ш. Сильченко // Автоматическая сварка. — 2007. — № 10 (654). — С. 16-22. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101916 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1019162025-02-23T17:18:15Z Принципы расчета режимов сварки взрывом металлических слоистых композитов Principles of calculation of conditions of explosion welding of metallic laminar composites Кузьмин, С.В. Лысак, В.И. Хаустов, С.В. Сильченко, Т.Ш. Научно-технический раздел Рассмотрены принципы расчета и оптимизации параметров сварки взрывом металлических слоистых композитов. В качестве универсального критериального параметра, увязывающего свойства свариваемых материалов и режимы сварки, выбрана энергия пластической деформации металла околошовной зоны при высокоскоростном соударении. The principles of calculation and optimization of the process of explosion welding of laminated metal composites are considered. The energy of plastic deformation of HAZ metal at high-speed collision was selected as a versatile criterial parameter correlating the properties of the materials being welded and welding modes. 2007 Article Принципы расчета режимов сварки взрывом металлических слоистых композитов / С.В. Кузьмин, В.И. Лысак, С.В. Хаустов, Т.Ш. Сильченко // Автоматическая сварка. — 2007. — № 10 (654). — С. 16-22. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101916 621.791.76: 621.7.044.2 ru Автоматическая сварка application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Кузьмин, С.В. Лысак, В.И. Хаустов, С.В. Сильченко, Т.Ш. Принципы расчета режимов сварки взрывом металлических слоистых композитов Автоматическая сварка |
| description |
Рассмотрены принципы расчета и оптимизации параметров сварки взрывом металлических слоистых композитов. В качестве универсального критериального параметра, увязывающего свойства свариваемых материалов и режимы сварки, выбрана энергия пластической деформации металла околошовной зоны при высокоскоростном соударении. |
| format |
Article |
| author |
Кузьмин, С.В. Лысак, В.И. Хаустов, С.В. Сильченко, Т.Ш. |
| author_facet |
Кузьмин, С.В. Лысак, В.И. Хаустов, С.В. Сильченко, Т.Ш. |
| author_sort |
Кузьмин, С.В. |
| title |
Принципы расчета режимов сварки взрывом металлических слоистых композитов |
| title_short |
Принципы расчета режимов сварки взрывом металлических слоистых композитов |
| title_full |
Принципы расчета режимов сварки взрывом металлических слоистых композитов |
| title_fullStr |
Принципы расчета режимов сварки взрывом металлических слоистых композитов |
| title_full_unstemmed |
Принципы расчета режимов сварки взрывом металлических слоистых композитов |
| title_sort |
принципы расчета режимов сварки взрывом металлических слоистых композитов |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2007 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101916 |
| citation_txt |
Принципы расчета режимов сварки взрывом металлических слоистых композитов / С.В. Кузьмин, В.И. Лысак, С.В. Хаустов, Т.Ш. Сильченко // Автоматическая сварка. — 2007. — № 10 (654). — С. 16-22. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT kuzʹminsv principyrasčetarežimovsvarkivzryvommetalličeskihsloistyhkompozitov AT lysakvi principyrasčetarežimovsvarkivzryvommetalličeskihsloistyhkompozitov AT haustovsv principyrasčetarežimovsvarkivzryvommetalličeskihsloistyhkompozitov AT silʹčenkotš principyrasčetarežimovsvarkivzryvommetalličeskihsloistyhkompozitov AT kuzʹminsv principlesofcalculationofconditionsofexplosionweldingofmetalliclaminarcomposites AT lysakvi principlesofcalculationofconditionsofexplosionweldingofmetalliclaminarcomposites AT haustovsv principlesofcalculationofconditionsofexplosionweldingofmetalliclaminarcomposites AT silʹčenkotš principlesofcalculationofconditionsofexplosionweldingofmetalliclaminarcomposites |
| first_indexed |
2025-11-24T02:12:02Z |
| last_indexed |
2025-11-24T02:12:02Z |
| _version_ |
1849635972884463616 |
| fulltext |
УДК 621.791.76: 621.7.044.2
ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТА РЕЖИМОВ СВАРКИ ВЗРЫВОМ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СЛОИСТЫХ КОМПОЗИТОВ
С. В. КУЗЬМИН, В. И. ЛЫСАК, доктора техн. наук,
С. В. ХАУСТОВ, Т. Ш. СИЛЬЧЕНКО, инженеры (Волгоград. гос. техн. ун-т, РФ)
Рассмотрены принципы расчета и оптимизации параметров сварки взрывом металлических слоистых композитов.
В качестве универсального критериального параметра, увязывающего свойства свариваемых материалов и режимы
сварки, выбрана энергия пластической деформации металла околошовной зоны при высокоскоростном соударении.
К л ю ч е в ы е с л о в а : сварка взрывом, композиционные
материалы, оптимизация режимов, многослойная компози-
ция
При проектировании технологических процессов
сварки взрывом двух- и многослойных компози-
тов необходимо подбирать режимы, которые поз-
воляют гарантированно обеспечивать получение
требуемых физико-механических свойств соеди-
нений и отсутствие в них дефектов. Для этого
параметры кинематической группы (vc, vк, γ), за-
висящие от установочных параметров (h, H, C,
m1, m2) (рис. 1), должны создавать в зоне сое-
динения такие условия (p, τ, ε, T), при которых
обеспечивается получение качественного сварно-
го соединения.
Цель настоящей работы — разработка основ-
ных принципов расчета режимов сварки взрывом
двух- и многослойных металлических компози-
ционных материалов, гарантированно обеспечи-
вающих получение прочного соединения.
К настоящему времени накоплен обширный
теоретический и экспериментальный материал и
установлены аналитические взаимосвязи между
параметрами различных групп. Тем не менее, пос-
тавленная задача имеет ряд особенностей, обус-
ловленных в первую очередь выбором универ-
сального критериального параметра, который бы
увязывал исходные свойства свариваемых мате-
риалов с прочностью получаемого соединения.
Основателями гидродинамического подхода [2–4
и др.] в качестве такого критерия предложен кри-
тический угол соударения γкр, определяющий по
сути положение нижней границы свариваемости
определенной пары металлов в координатах γ–vк.
При этом для получения равнопрочного соеди-
нения необходимо выполнение условия γ > γкр
при vк.кр < vк < c0 (здесь γ — динамический угол
соединения; vк.кр — критическая скорость кон-
такта; c0 — скорость звука в металле).
По мнению ряда исследователей [5–8], для лю-
бого произвольного сочетания одно- и разнород-
ных материалов существует некоторая критичес-
кая скорость соударения vc.кр, зависящая от пре-
дела текучести и акустической жесткости свари-
ваемых металлов, превышение которых обеспе-
чивает получение прочного соединения.
Эти разные по форме, но схожие по сути кри-
териальные подходы, не принимающие во вни-
мание такие важные параметры, как массовые ха-
рактеристики или толщина свариваемых элемен-
тов, имеют весьма ограниченное практическое
применение.
По-видимому, пока единственным универсаль-
ным параметром такого рода, имеющим физичес-
кий смысл, остается энергия W2, затрачиваемая
© С. В. Кузьмин, В. И. Лысак, С. В. Хаустов, Т. Ш. Сильченко, 2007
Рис. 1. Феноменологическая модель сварки взрывом двухс-
лойного композита [1]: α0 — установочный угол между сва-
риваемыми пластинами; C — содержание аммонита в смеси;
Н — высота заряда ВВ; m1 и m2 — единичная масса соответ-
ственно метаемой и неподвижной пластин; h — установоч-
ный (сварочный) зазор; D — скорость детонации ВВ; vc и vк
— соответственно скорость соударения и контакта; W2 —
энергия, затрачиваемая на пластическую деформацию метал-
ла околошовной зоны (ОШЗ); p, τ, T и ε — соответственно
давление, время деформирования, температура и степень
пластической деформации металла в зоне соединения; σc.c —
прочность сварного соединения
16 10/2007
на пластическую деформацию металлов. Эта ве-
личина, с одной стороны, связывает воедино со-
ударение и массу пластин, а с другой, четко оп-
ределяет нижнюю границу свариваемости в за-
висимости от технологической деформируемости
(критерия Астрова HB/δ — соотношение твер-
дости металла по Бринеллю к его относительному
удлинению) металлов значением критических
энергозатрат W2кр [1, 9, 10].
Следует отметить, что наряду с W2 и W2кр в
качестве перспективного критериального пара-
метра может выступать деформирующий импульс
Iд [11], значения которого характеризует степень
развития пластической деформации металла ОШЗ
и полноту протекания активационных процессов
на границе соединения. В настоящее время сдер-
живающим фактором для использования этого
параметра является недостаточный объем экспе-
риментального материала для взаимоувязывания
Iд.кр со свойствами широкого круга конструкцион-
ных материалов.
Итак, приняв во внимание изложенное выше,
рассмотрим подробно принципиальный алгоритм
вычисления режимов процесса для простейшего
случая — сварки взрывом биметалла по парал-
лельной схеме.
На первом этапе следует определить скорость
точки контакта vк, которая обычно выбирается из
диапазона (0,4…0,6)с0min [12] (где с0min — ско-
рость звука в металле, меньшая из двух для выб-
ранного сочетания). Как правило, vк составляет
2000…2500 м/с, причем для ряда композиций, об-
ласть свариваемости которых достаточно узка (ти-
тан + сталь, цирконий + сталь, алюминий + сталь,
алюминий + медь и др.), следует стремиться к
нижней границе диапазона указанных значений.
Следующим важным и ответственным этапом
является выбор типа взрывчатого вещества (ВВ),
подробный анализ свойств которых приведен в
работах [4, 13–19 и др.]. При этом необходимо
учитывать несколько обстоятельств. С позиции
упрощения технологического процесса (исключе-
нием являются операции по смешиванию компо-
нентов ВВ перед сваркой) предпочтительнее при-
менение ВВ, которые выпускаются промышлен-
ностью, например, аммонита №6ЖВ, сварочных ам-
монитов типа А или АТ. Первый из них является
достаточно мощным ВВ, и скорость детонации D >
> 2500 м/с реализуется уже в плоских зарядах вы-
сотой H ≈ 12…13 мм, в связи с чем его исполь-
зование оправдано при плакировании тонкими (до
1,5…2,0 мм) металлическими слоями. Два других
типа аммонитов при приемлемых диапазонах ско-
рости детонации (1200…3100 м/с) имеют весьма
малый срок хранения, что сказывается на стабиль-
ности детонационных характеристик. В этой связи
в большинстве случаев для решения практических
задач в мировой практике используют свежепри-
готовленные смеси аммонита №6ЖВ (или его ана-
логов) с аммиачной селитрой, кварцевым песком,
поваренной солью, тальком и другими инертными
наполнителями. Эти смеси хорошо изучены, а их
детонационные характеристики представлены в
виде таблиц, графиков или эмпирических зави-
симостей, используя которые и предварительно
задавшись составом смеси, определяют высоту за-
ряда Н, обеспечивающую необходимую скорость
детонации D = vк. Например, для смеси аммонит
№6ЖВ + селитра можно использовать зависи-
мость [1]
H = ⎛⎜
⎝
D
121,5C0,492
⎞
⎟
⎠
3,17
. (1)
Для выбранной смеси определяют также на-
сыпную плотность ρВВ, влияющую на скорость
соударения и зависящую от состава ВВ. Для смеси
аммонита с гранулированной аммиачной селит-
рой значение этой величины достаточно точно
рассчитывают по эмпирической формуле [1]
ρВВ = –1,43⋅10–5C2 – 1,22⋅10–3C + 1. (2)
Далее для свариваемой пары материалов оп-
ределяют критическое значение энергозатрат на
пластическую деформацию W2кр [9]
W2кр = 0,606 + 0,184 ln (HB/δ) [МДж/м2]. (3)
При этом из двух полученных значений вы-
бирают меньшее, т. е. соответствующее более мяг-
кому материалу пары, а затем минимально не-
обходимую скорость соударения путем решения
известного уравнения — слагаемого энергетичес-
кого баланса сварки взрывом [20]
W2 =
ρ1δ1ρ2δ2
2(ρ1δ1 + ρ2δ2)
vc
⎡
⎢
⎣
⎢
⎢
1 –
⎛
⎜
⎝
vк
c0
⎞
⎟
⎠
2
⎤
⎥
⎦
⎥
⎥ (4)
относительно vc и полагая W2 = W2кр
vс.кр = √⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯2(ρ1δ1 + ρ2δ2)W2кр
ρ1δ1ρ2δ2[1 – (vк
⁄ c0)
2]
,
(5)
где ρ1, ρ2 — плотность материала соответственно
метаемой и неподвижной пластин; δ1, δ2 — тол-
щина соответственно метаемой и неподвижной
пластины пакета.
По сути полученное значение vc.кр определяет
положение нижней (критической) границы сварки
выбранной пары материалов с заданной толщиной
(массой) пластин.
Учитывая то, что для большинства композиций
положение верхней (предельной) границы сварки
в настоящее время не определено, для оценки пре-
дельных энергозатрат W2пр добавляют к W2кр не-
10/2007 17
которую величину ∆W2. Обычно для таких пар
материалов, как сталь + титан, титан + медь, медь+
+ алюминий, алюминий + сталь, алюминий + ти-
тан и некоторых других она составляет
0,3…0,5 МДж/м2, а для остальных материалов,
отличающихся широким диапазоном сваривае-
мости, ∆W2 = 0,8…1,0 МДж/м2.
После подстановки в (5) вместо W2кр значения
W2пр = W2кр + ∆W2 рассчитывают предельную
скорость соударения vc.пр. При этом любое зна-
чение vc из диапазона
vс.кр < vc < vc.пр (6)
должно обеспечивать при сварке образование рав-
нопрочного соединения.
В идеальном случае наилучшими свойствами
с точки зрения минимизации структурной и хи-
мической неоднородностей будут характеризо-
ваться соединения, полученные при W2кр, однако
при выборе скорости соударения vc из диапазона
(6) обязательно следует иметь в виду возможные
случайные отклонения установочных параметров
от расчетных, обусловленные, например, кривиз-
ной свариваемых листов, неточностями сборки
пакета, неравномерной плотностью ВВ и т. п.
Предварительные оценки показали, в частности,
что погрешности значений h и H составляют всего
10 % (при зазоре 1 мм — это 0,1 мм) и могут
привести к тому, что значения W2 окажутся мень-
ше критических значений W2кр на 15…20 %. Рав-
нопрочное соединение в этом случае не образу-
ется. Особенно сильное влияние технологических
погрешностей проявляется при малых значениях
отношения h/H [21]. В связи с этим для повы-
шения надежности процесса сварки изначально
в расчеты (5) следует закладывать значение W2
на 15…20 % больше критического.
Итак, выбрав из диапазона (6) значение vc, нет-
рудно рассчитать требуемый сварочный зазор h
для одномерной модели метания:
h = H (1 – θ)2
(1 + 2η)θ2 – 1
;
(7)
где θ =
1 + η(1 – vc ⁄ D) + √⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯η2(1 – vc ⁄ D)2 – 2ηvc ⁄ D
1 + 2η
; (8)
η = 16
27r = 16
27
НρBB
ρ1δ1
, (9)
h = 0,184H
r
⎡
⎢
⎣
⎢
⎢
(√⎯⎯⎯⎯⎯k + 1
k – 1 – 1 )π
4 arcsin (
vc
2D)
– 1
⎤
⎥
⎦
⎥
⎥
– 2,71
,
(10)
где k — показатель политропы продуктов дето-
нации [2, 3].
При этом возможна ситуация, когда подкорен-
ное выражение в (8) окажется отрицательным. Это
означает, что выбранное сочетание исходных дан-
ных (состав смеси и рассчитанная для значения
D высота заряда Н) не обеспечивает разгон ме-
таемой пластины до необходимой скорости соу-
дарения vc. В этом случае следует увеличить вы-
соту заряда (по сути η, входящую, в частности,
в (8)) с одновременным разбавлением смесевого
ВВ инертными компонентами для обеспечения
постоянства D.
В отличие от определения режимов сварки
взрывом двухслойных соединений процедура их
расчета для случая многослойных композиций
значительно сложнее, что связано в первую оче-
редь с нестационарностью параметров соударения
на межслойных границах, а также необходи-
мостью учета начальных участков разгона пакета
после каждого i-го акта взаимодействия.
Расчет режимов непосредственно с использо-
ванием аналитических зависимостей возможен
лишь в одном частном случае, а именно при до-
пущении, что первая метаемая пластина перед ее
соударением со второй (промежуточной) не ус-
коряется продуктами детонации (ПД), т. е. оста-
точное давление ПД pост → 0. Такая ситуация
может быть реализована при достаточно больших
значениях отношения h1/H (здесь h1 — зазор на
первой межслойной границе свариваемого ком-
позита). В этом случае (после определения vк)
для каждой межслойной границы рассчитывают
в зависимости от механических свойств свари-
ваемых материалов критические и предельные
энергозатраты, а в зависимости от их значений
— скорость соударения первого (метаемого) слоя
со вторым (vc1i
кр и vc1i
пр ), обеспечивающая выделение
на произвольной i-й границе композита энергии
W2i, равной соответственно W2iкр и W2iпр [1, 10]:
vc1i
кр ⁄ (пр) = √⎯⎯⎯⎯⎯
2∑
j = 1
i + 1
mj ∑
j = 1
i
mjW2iкр(пр)
m1
2mi + 1[1 – (vк
⁄ c0i)
2]
, (11)
где i — индекс границы соударения [1; n – 1];
j — индекс слоя [1; n]; m — единичная масса
пластины (ρδ).
Из полученных массивов значений скорости
соударения определяют максимальное значение
из критических и минимальное из предельных.
При этом выполнение условия «энергетической
разрешимости» процесса сварки по одновремен-
ной схеме плакирования [1, 10]
max(vc1
кр) < min(vc1
пр) (12)
18 10/2007
автоматически означает, что при любом значении
скорости соударения на первой границе, входя-
щем в этот диапазон, на каждой межслойной гра-
нице композита значение энергии, затрачиваемой
на пластическую деформацию металла, будет пре-
вышать критический уровень энергозатрат, необ-
ходимых для образования прочного соединения.
Невыполнение же неравенства (12) означает,
что при указанных исходных условиях обеспе-
чение равнопрочности на всех границах компо-
зита проблематично, поскольку в этом случае ре-
ализуется ситуация, когда нижняя граница сварки
для некоторого i-го соударения находится выше
верхней границы j-го (i ≠ j). Данную проблему
можно решить двумя путями: изменить схему
сварки на обратную, выбрав в качестве метаемой
(верхней) пластины пакета неподвижную
(нижнюю) при общей неизменной очередности
слоев в композите, или скорректировать соотно-
шение толщин слоев в пакете.
Первый путь наиболее прост в реализации, но
не всегда приемлем, поскольку при изменении
последовательности расположения слоев в качест-
ве метаемого может оказаться пластина из наи-
менее пластичного материала, что создаст допол-
нительные технологические трудности в плане
предотвращения ее разрушения при высокоско-
ростном деформировании.
Улучшение энергетической ситуации в свари-
ваемом пакете по второму пути может быть дос-
тигнуто двумя способами: либо повышением
min(vc1
пр) за счет увеличения толщины (массы) i +
+1-го слоя, либо снижением max(vc1
кр) путем умень-
шения толщины j +1-го слоя композиции (в дан-
ном случае i и j — индексы границ пакета со-
ответствуют min(vc1
пр) и max(vc1
кр)).
По скорректированным значениям min∗(vc1
пр)
или max∗(vc1
кр), при которых выполняется условие
(12), рассчитывают новые значения единичных
масс i +1-го или j +1-го слоев [1, 10]:
A =
W2iкр
1 – (vк
⁄ c0i)
2, (13)
где
A =
W2iкр
1 – (vк
⁄ c0i)
2; B =
W2iпр
1 – (vк
⁄ c0i)
2. (14)
С их помощью определяют новые значения
толщины соответствующих слоев композита, ко-
торые и закладывают в дальнейший расчет.
В более сложном случае, когда на поверхность
свариваемого пакета после соударения первых
двух пластин продолжает действовать остаточное
давление ПД, определение режимов сварки взры-
вом путем расчета является сложной и многоаль-
тернативной задачей. При этом в отличие от пре-
дыдущей рассмотренной ситуации, когда давле-
ние ПД заряда к моменту соударения первой (ме-
таемой) пластины со второй стремится к нулю,
а скорость соударения на второй и последующих
границах (пренебрегая стадией начального раз-
гона) однозначно определяется значением vс1, па-
раметры соударения на каждой межслойной гра-
нице тесно связаны между собой. При этом соз-
дание требуемых условий соударения на некото-
рой i-й межслойной границе определяется ско-
ростью соударения и стадиями разгона на всех
предыдущих. Поясним это на примере простей-
шего случая сварки трехслойной композиции
(рис. 2).
В рассмотренном примере фиксированная ско-
рость соударения на первой границе vc = 350 м/с
может быть реализована различными сочетания-
ми высоты заряда (соответственно и содержание
аммонита в смеси C для поддержания постоянной
скорости детонации) и сварочного зазора h1 (рис.
2). При этом в зависимости от фазы разгона ме-
таемой пластины h1/Н на второй границе могут
быть достигнуты различные значения максималь-
ной скорости соударения: в рассматриваемом при-
мере — от 290 м/с в случае полного разгона (рис.
2, а) до 450 м/с и более при h1/Н = 0,034 (рис.
2, г). Иными словами, если задаться скоростью
соударения на второй межслойной границе, то
достичь ее в принципе можно путем различных
сочетаний параметров установочной подгруппы
(Н, C, h1, h2), т. е. задача имеет множество про-
ектных решений. Аналогично будут выглядеть
рассуждения и для большего количества свари-
ваемых по одновременной схеме слоев.
С учетом изложенного выше принципиальный
алгоритм расчета установочных параметров пред-
ставляется следующим образом. На первом этапе,
как и для случая сварки биметалла, задаются ско-
ростью детонации ВВ. Имея экспериментальные
или расчетные зависимости D = f(H, C) для выб-
ранного типа взрывной смеси, несложно соста-
вить двумерную матрицу 2 n сочетаний H и C,
соответствующих заданной D. Из технологичес-
ких соображений целесообразно применять стан-
дартные смеси (100/0, 90/10, 80/20 и т. п.).
Затем по (11) для каждой межслойной границы
определяют диапазон значений критической vci
кр
и vci
пр предельной скорости соударения, задавшись
предварительно значениями НВ/δ для материала
каждого слоя свариваемого пакета.
На следующем этапе для каждого сочетания
Н и C составленной ранее матрицы рассчитывают
значения зазоров на первой границе, обеспечи-
10/2007 19
вающие реализацию на ней соответственно vc1
кр и
vc1
пр, определяя таким образом области допустимых
значений Н, C и h1 (рис. 3). Так, для ситуации,
представленной на рис. 3, приемлемыми являются
смесь аммонита №6ЖВ (не более 40 об. %) с гра-
нулированной аммиачной селитрой; для смесей
25/75, 33/67 и 40/60 критический установочный
зазор на первой межслойной границе (в данном
случае — между титаном δ = 5 мм и алюминием
δ = 2 мм), при котором достигается скорость со-
ударения, соответствующая критическим энерго-
затратам, составляет соответственно h1кр = 3,0;
= 4,5 и 10,2 мм.
Предельное же значения h1пр, соответству-
ющее предельным энергозатратам W2пр при со-
ударении первых двух слоев, для смеси 25/75 сос-
тавляет 8,7 мм (рис. 3). Для более насыщенных
смесей (33/67 и 40/60 в рассматриваемом примере)
рассчитать ее невозможно, поскольку метаемая
пластина выходит на пологий участок разгона,
и дальнейшее неограниченное увеличение h1 не
приводит к заметному росту vc1. Обычно на прак-
тике из технологических соображений ограничи-
вают установочный зазор значением 15 мм, ко-
торое и принимается в рассмотренном примере
за h1пр для смесей 33/67 и 40/60.
Далее по методике, изложенной работе в [22],
строят кривые разгона пластин пакета для второй
межслойной границы vс2 = f(h2), используя огра-
ниченный массив значений Н, C и h1, полученный
на предыдущем этапе расчета. Из построенных
кривых разгона для дальнейшего рассмотрения
оставляют лишь те, которые удовлетворяют ус-
ловию (6), определяя для каждой из них соот-
ветствующие h2кр и h2пр. Данные операции пов-
торяются для последующих межслойных границ
свариваемого композита.
В результате расчета по изложенному алго-
ритму может получиться либо множество проек-
тных решений, либо ни одного. В первом случае
из полученного массива режимов сварки техно-
лог-разработчик, основываясь на своем опыте и
квалификации, а также технологических возмож-
ностях, выбирает какой-то один. Во втором —
необходимо произвести корректировку исходных
условий, например, изменить сочетание толщин
в композиции или перейти к последовательному
плакированию.
Рис. 2. Влияние фазы разгона метаемой пластины на скорость соударения на второй межслойной границе трехслойного пакета
(ρ1δ1 = 27 г/см2; ρ2δ2 = 5,4 г/см2, vк = 2500 м/с) при Н = 25 (а), 30 (б), 35 (в) и 50 (г) мм: 1, 2 — кривые разгона соответственно
метаемой пластины и пакета из двух сваренных пластин
Рис. 3. Пример определения с помощью расчетов допусти-
мых диапазонов установочных зазоров на первой границе h1
для приемлемых составов взрывчатой смеси аммонит
№6ЖВ/гранулированная аммиачная селитра (об. %) при
сварке взрывом композиции титан (δ1 = 5 мм) + алюминий
(δ2 = 2,0 мм) + АМг6: 1 — смесь 100/0; 2 — 75/25; 3 — 67/33;
4 — 60/40; 5 — 50/50; 6 — 40/60; 7 — 33/67; 8 — 25/75
20 10/2007
С целью выявления из множества полученных
проектных решений наилучшего следует провести
оптимизацию режимов, т. е. отыскать в прост-
ранстве проектных параметров (с учетом дейс-
твующих ограничений) решения, реализация ко-
торых позволит получить многослойный компо-
зит с оптимальными свойствами — максимально
возможная прочность при минимальных струк-
турной и химической неоднородностях. При оп-
тимизации задача поиска сложной совокупности
большого числа параметров исследуемого процес-
са в условиях существенной его нестационарности
сводится к минимизации целевой функции
M(X→). Построение алгоритмической модели дан-
ной задачи большой размерности с установлен-
ными ограничениями основывается на требовании
обеспечения при каждом i-м соударении в мно-
гослойном пакете энерговложений, достаточных
для образования на этой границе прочного свар-
ного соединения.
Наиболее целесообразно организованным ре-
жимом послойного соударения в слоистых ком-
позиционных материалах, при котором энергов-
ложение W2i, реализуемое на всех границах ком-
позита, будет максимально приближено к крити-
ческим энергозатратам W2iкр, характерным для
этих границ (рис. 4). Очевидно, что при таких
условиях энерговложения в систему соударяю-
щихся пластин будут минимальными, что, с одной
стороны, максимально уменьшает вероятность
развития на межслойных границах структурной
и химической неоднородностей, а, с другой, сни-
жает расход ВВ. В такой постановке задача оп-
тимизации сводится к отысканию минимума це-
левой функции M(X→), являющейся суммой раз-
ностей реальных и критических энергозатрат на
каждой i-й границе композита:
M(X– ) = ∑
i = 1
i = n – 1
(W2i – W2iкр) = ∑
i = 1
i = n – 1
∆W2i → min (15)
при ограничениях
W2iкр < W2i < W2iпр. (16)
В качестве проектных параметров X– удобно
принять основные технологические (установоч-
ные) hi, H и C, в зависимости от которых на каж-
дом этапе оптимизации в соответствии с компь-
ютерной моделью, включающей феноменологи-
ческую и кинематическую модели, а также ма-
тематический аппарат расчета параметров, опре-
деляется значение M(X→).
С учетом производительности современной
компьютерной техники для оптимизации может
быть успешно применен метод случайного поиска
в n-мерном пространстве проектных параметров,
являющийся разновидностью метода Монте-Кар-
ло [23]. При этом на каждом этапе оптимизации
с помощью генератора случайных чисел произ-
вольно выбирается совокупность параметров: hi
и Н, по которым ведется расчет кинематических
и энергетических параметров процесса, а также
подсчитывается значение целевой функции
M(X→). Первое рассчитанное значение M(X→) выби-
рается в качестве критерия минимизации М, а при
последующих итерациях текущее значение целе-
вой функции сравнивается с М. Если полученное
новое значение M(X→) < М, то происходит пере-
назначение M = M(X→), иначе текущий рассчитан-
ный вариант отсеивается. Таким образом поша-
гово происходит улучшение целевой функции.
При достаточно большом количестве итераций,
исчисляющемся сотнями тысяч, можно считать,
что будет получено проектное решение, близкое
к глобальному оптимуму.
Следует отметить, что перед процедурой оп-
тимизации на пространство проектных парамет-
ров накладывается ряд ограничений, например,
по критической и предельной высоте зарядов ВВ,
минимально и максимально допустимым свароч-
ным зазорам и ряду других параметров, что зна-
чительно сокращает время расчета и количество
итераций.
Таким образом, рассмотренные принципы рас-
чета и оптимизации параметров сварки взрывом
слоистых композитов материалов, базирующиеся
на применении энергии, затрачиваемой на плас-
тическую деформацию металла ОШЗ при высо-
коскоростном соударении, в качестве универ-
сального критериального параметра, увязываю-
щего свойства свариваемых материалов и режимы
сварки, служат теоретической основой для соз-
дания компьютерной модели исследуемого про-
Рис. 4. Физическая модель оптимизации параметров сварки
взрывом многослойных композитов [1, 10]: vc1–vc3, W21–W23
— соответственно скорость соударения и энергозатраты на
пластическую деформацию металла на 1–3-й межслойных
границах; W2iкр и W2iпр — соответственно критические и
предельные энергозатраты на i-й границе; ∆W21–∆W23 — раз-
ность реальных и критических энергозатрат на 1–3-й грани-
цах композита
10/2007 21
цесса и соответствующих программных средств,
позволяющих существенно уменьшить затраты на
проектирование технологических процессов изго-
товления композиционных материалов с гаран-
тированным качеством соединения составляющих
слоев.
1. Лысак В. И., Кузьмин С. В. Сварка взрывом. — М.: Ма-
шиностроение, 2005. — 544 с.
2. Дерибас А. А. Физика упрочнения и сварки взрывом. —
Новосибирск: Наука, 1980. — 220 с.
3. Определение параметров соударения плоских тел, метае-
мых ВВ, в условиях сварки взрывом / А. А. Дерибас,
В. М. Кудинов, Ф. И. Матвеенков, В. А. Симонов // Физ.
горения и взрыва. — 1967. — 3, № 2. — С. 291–298.
4. Захаренко И. Д. Сварка металлов взрывом. — Минск:
Наука и техника, 1990. — 205 с.
5. Соннов А. П. Влияние исходной прочности соединяемых
металлов на режимы их сварки взрывом // Сварка взры-
вом и свойства сварных соединений: Межвуз. сб. науч.
тр. — Волгоград: ВолгПИ, 1989. — С. 3–7.
6. Седых В. С., Соннов А. П. Определение «нижней грани-
цы свариваемости» металлов при сварке взрывом // Там
же. — Волгоград: ВолгГТУ, 1995. — С. 63–66.
7. Роман О. В., Смирнов Г. В., Ушеренко С. М. Динамика
высокоскоростной деформации и кумулятивные эффек-
ты при сварке металлов взрывом // Там же. — Волгог-
рад: ВолгГТУ, 1998. — С. 51–64.
8. Смелянский В. Я., Рыскулов М. Т., Кожевников В. Е. К
вопросу o расчете режимов сварки взрывом разнород-
ных металлов // Там же. — Волгоград: ВолгПИ, 1986. —
С. 54–62.
9. Лысак В. И., Седых В. С., Трыков Ю. П. Определение
критических границ процесса сварки взрывом // Свароч.
пр-во. — 1973. — № 5. — С. 6–8.
10. Lysak V. I., Kuzmin S. V. Explosive welding of metal layered
composite materials. — Kiev: E. O. Paton Electric Welding
Institute, 2003. — 117 p.
11. Кузьмин С. В., Чувичилов В. А., Лысак В. И. Временные
условия формирования соединения при сварке взрывом
// Перспектив. материалы. — 2005. — № 1. — С. 85–91.
12. Седых В. С. Классификация, оценка и связь основных
параметров сварки взрывом // Сварка взрывом и свойс-
тва сварных соединений: Межвуз. сб. науч. тр. — Вол-
гоград: ВолгПИ, 1985. — С. 3–30.
13. Высокоскоростная деформация металлов / В. И. Беляев,
В. Н. Ковалевский, Г. В. Смирнов, В. А. Чекан. — Мин-
ск: Наука и техника, 1976. — 224 с.
14. Комплексное исследование основных характеристик
смесей аммонита №6ЖВ с кварцевым песком примени-
тельно к сварке взрывом / А. Д. Бабков, Ю. П. Бесша-
пошников, В. Е. Кожевников и др. // Физ. горения и
взрыва. — 1992. — № 2. — С. 107–108.
15. Лысак В. И., Шморгун В. Г. Детонационные характерис-
тики смесевых ВВ для сварки на основе аммонит
№6ЖВ+наполнитель // Сварка взрывом и свойства свар-
ных соединений: Межвуз. сб. науч. тр. — Волгоград:
ВолгПИ, 1987. — С. 105–114.
16. Сварка крупногабаритных биметаллических листов с ис-
пользованием сварочных аммонитов типа АТ / А. В.
Крупин, В. Я. Соловьев, А. Г. Кобелев и др. // Тр. Всесо-
юз. межвуз. науч. конф. по обработке металлов взрывом,
г. Москва, 9–12 сент. 1980 г. — М.: МИСИС, 1980. —
С. 79–81.
17. Аммониты для сварочных работ / Л. В. Дубнов, Н. С.
Бухаревич, А. И. Романов // Физико-хим. и взрывные
процессы в машиностроении: Тр. МВТУ — М., 1973. —
№ 168. — С. 164–169.
18. Ишуткин С. Н., Симонов В. А. Особенности детонации
плоских зарядов смесевых ВВ // Тр. 4-го Междунар.
симп. по применению энергии взрыва для производства
металлических материалов с новыми свойствами, ЧССР,
Готвальдов, 1–4 окт. 1970 г. — Готвальдов, 1979. —
С. 386–397.
19. Дубнов Л. В., Бухаревич Н. С., Романов А. И. Промыш-
ленные взрывчатые вещества. — М.: Недра, 1988. —
358 с.
20. Седых В. С., Соннов А. П. Расчет энергетического балан-
са процесса сварки взрывом / // Физ. и химия обраб. ма-
териалов. — 1970. — № 2. — С. 6–13.
21. Лысак В. И., Седых В. С., Трыков Ю. П. Об оценке фак-
торов, определяющих надежность процесса сварки взры-
вом // Свароч. пр-во. — 1979. — № 3. — С. 3–6.
22. Расчет параметров соударения при сварке многослой-
ных композиций / С. В. Кузьмин, В. И. Лысак, В. П. Баг-
мутов, Т. Ш. Сильченко // Изв. Волгоград. гос. техн. ун-
та. Сер. Сварка взрывом и свойства сварных соединений.
— 2004. — № 6, вып. 1(13). — С. 28–34.
23. Соболев А. Г., Тимохов А. В., Федоров В. В. Курс методов
оптимизации. — М.: Наука, 1986. — 328 с.
The principles of calculation and optimization of the process of explosion welding of laminated metal composites are
considered. The energy of plastic deformation of HAZ metal at high-speed collision was selected as a versatile criterial
parameter correlating the properties of the materials being welded and welding modes.
Поступила в редакцию 16.10.2006,
в окончательном варианте 19.10.2006
22 10/2007
|