Обработка металлов взрывом

12.07.2018
Исследования, связанные с обработкой металлов взрывом, в ИЭС им. Е.О. Патона были начаты по инициативе академика Б.Е. Патона в 1962 г., для чего была организована лаборатория сварки взрывом (СВ). В 1970-е годы под Киевом был создан специализированный полигон, оснащенный цехом для производства зарядов взрывчатых материалов и площадками для проведения в последующем работ по сварке, резке и обработке металлов взрывом (НИЦ «Металлообработка взрывом»).

Исследования в области CB с самого начала были направлены не только на изготовление традиционных биметаллических и многослойных заготовок, но и на создание пакета технологий соединения готовых деталей и узлов. Это пионерское направление было признано как особая разновидность процесса и получило название конструкционной СВ. Б.Е. Патон инициировал также проведение комплекса фундаментальных исследований, посвященных разработке физической теории процесса и практических рекомендаций, обеспечивающих высокое качество сварных соединений. При его непосредственном участии разработана оригинальная теория характерного для CB явления волнообразования на контактной границе, основанная на представлении о возникновении и взаимодействии своеобразных «бугров» пластической деформации, появляющихся при дозвуковых скоростях точки контакта. Эта теория позволила не только объяснить механизм образования основных типов получаемых соединений (в частности, причины появления локальных и развитых расплавов, которые являются местами скопления образующихся в процессе CB интерметаллидов), но также разработать эффективные способы управления процессом, с целью получения равнопрочных соединений.

Радикальной мерой борьбы с интерметаллидами при сварке разнородных материалов явилось использование промежуточных прослоек металлов, обладающих удовлетворительной взаимной растворимостью с обоими металлами свариваемой пары. При непосредственном участии Б.Е. Патона разработаны технологии получения крупногабаритного биметалла с сочетанием трудносвариваемых металлов методом непосредственного плакирования, а также пакет оригинальных схем локальной сварки взрывом, выполняемой на готовых деталях и изделиях, нашедших широкое применение в промышленности. Основные положения этих направлений приведены в монографии.

В частности, выполнены уникальные работы по ремонту сваркой взрывом в цеховых условиях топливного бака универсальной ракетно-космической транспортной системы «Энергия-Буран», обеспечившие ее своевременный запуск в космос в 1988 г. Аналогичная технология передана для использования возможного ремонта в ракетно-космической системе «Ариан-5» (Франция).

Успешно использована в газотранспортных предприятиях Украины и России комбинированная технология CB и дуговой сварки для подключения отводов к магистральным газопроводам под рабочим давлением без остановки перекачки газа и опорожнения газопровода.

В первую очередь следует отметить технологии изготовления сваркой взрывом панелей сборных кристаллизаторов для электрошлакового переплава, биметаллических (сталь+титан) трубных досок теплообменников, соединения алюминиевых оболочек кабелей телефонной связи, приварки медных рельсовых соединителей и соединения многожильных проводов на железнодорожном транспорте, технологию CB сталеалюминиевых штырей и анододержателей электролизеров алюминия, метод внутреннего плакирования длинномерных трубчатых изделий, технологию сварки ударной волной магистральных шинопроводов с помощью миниатюрных зарядов и многие другие.

Значительный вклад внесен Б.Е. Патоном в решение весьма актуальной проблемы повышения надежности сварных конструкций. Ему принадлежит идея впервые в мировой практике применить с этой целью обработку сварных соединений металлоконструкций взрывом. Систематические научно-исследовательские работы в этом направлении были начаты в ИЭС в 1967 г. Уже первые эксперименты показали высокую эффективность обработки взрывом для повышения выносливости сварных соединений как с концентраторами напряжений, так и без таковых. При этом был установлен факт заметного снижения сварочных остаточных напряжений, влияние которых на служебные свойства конструкций, как известно, весьма значительно.

Создана физическая теория этого процесса. В ее основу положено представление о формировании под зарядом BB своеобразного напряженно-деформированного следа обработки взрывом, характеризующегося двухосными напряжениями сжатия, достигающими предела текучести. Взаимодействие напряжений и деформаций в следе с имеющимися в сварном соединении напряжений и обусловливает снятие исходных остаточных напряжений. Разработана методика расчета параметров зарядов BB, обеспечивающих снятие сварочных остаточных напряжений до наперед заданного уровня, в том числе создание локальных полей остаточных напряжений сжатия, благоприятно влияющих на целый ряд физико-механических свойств сварных соединений, включая коррозионно-механическую прочность соединений в щелочных и кислых средах, сопротивляемость усталостным и хрупким разрушениям, консервацию трещин усталости, повышение коэффициента прочности соединений нагартованных и термоупрочненных сплавов алюминия и др.

Весьма плодотворным оказалось предложение Б.Е. Патона изыскать возможность создания с помощью обработки взрывом локальных зон квазимногослойного строения металла, способных эффективно тормозить развитие усталостных трещин на стадии их закритического роста. Были выполнены всесторонние исследования различных аспектов положительного воздействия обработки взрывом на служебные свойства сварных соединений. Наиболее масштабное использование обработка взрывом нашла на предприятиях Минцветмета и Газпрома. Она была в свое время запатентована в ряде зарубежных стран и получила широкое признание.

Особенно значителен вклад Б.Е. Патона в разработку комбинированной взрывотермической обработки металла с литой структурой, включая сварные швы. Такая обработка позволяет благотворно влиять не только на прочностные характеристики металла, но также на его пластические свойства (например, на ударную вязкость при пониженных температурах) и износостойкость при воздействии ударных нагрузок или в условиях абразивного трения. Б.Е. Патон предложил также производить предварительную обработку взрывом подлежащих сварке кромок, а неизбежный нагрев металла при дуговой сварке использовать как своеобразную термообработку. Этот процесс, названный условно взрывосварочной обработкой, оказался особенно полезным и эффективным применительно к дуговой сварке под водой.

Б.Е. Патон явился инициатором проведения в ИЭС, начиная с 1965 г., исследований по резке металлов и конструкций взрывом. Основное внимание было уделено, прежде всего, разработке оригинальных и высокоэффективных удлиненных кумулятивных (УКЗ) и удлиненных некумулятивных зарядов взрывчатого вещества (УЗ) в металлической оболочке, а также гибких так называемых шнуровых кумулятивных зарядов в полимерной оболочке. Конструкция УКЗ, созданная в ИЭС, запатентована в ряде западных стран. Выполнен большой объем работ, посвященных исследованию процесса кумуляции, эффективности действия УКЗ на различные преграды, оптимизации способов надежного инициирования УКЗ и УЗ на суше и под водой и разработке крупноразмерных кумулятивных зарядов со сварной оболочкой для подводной резки толстостенных трубчатых конструкций. НИЦ «Металлообработка взрывом» оснащен уникальным оборудованием для производства таких зарядов.

Разработанные устройства нашли крупномасштабное применение, главным образом на газо- и нефтепроводном транспорте. Чрезвычайные работы выполнены во время ликвидации в 1986 г. последствий аварии на Чернобыльской АЭС, а также при ликвидации в Украине шахтных пусковых установок стратегических ракет.

Б.Е. Патону принадлежит идея разработки взрывной камеры оригинальной конструкции, корпус которой образован отрезками заглушенных с одного конца труб. Опытный образец этой камеры с допускаемой массой взрываемых зарядов до 200 кг построен на полигоне НИЦ «Металлообработка взрывом» и успешно эксплуатируется в настоящее время. Камера запатентована в Украине и ряде зарубежных стран.

Комплекс научно-исследовательских работ в области сварки взрывом и результаты их масштабного внедрения в промышленность удостоены Премии Совета Министров России в 1982 г. и премии Ленинского комсомола в 1985 г.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: