Сварка взрывом

Явление сваривания металлов при взрывах было обнаружено при экспериментах по кумуляции в 1944—46 гг., которые проводились М. А. Лаврентьевым с сотрудниками. На рис. 149 изображен полученный при этих экспериментах двухслойный образец, образовавшийся в результате одновременного обжатия двух кумулятивных конусов из разных металлов. На нем видна основная особенность, характеризующая сварку, — волнообразование на поверхности контакта свариваемых металлов. В тех же экспериментах Н. М. Сытый получал монолитные стержни из пучков медной проволоки, обматывая их детонирующим шнуром, Затем в изучении сварки взрывом наступила длительная пауза. Систематические исследования начались в 60-х годах главным образом в СССР и США. Здесь мы изложим некоторые результаты, принадлежащие в основном А. А. Дерибасу и С. К. Годунову.

Инициирование ВВ происходит у угла в точке А на рис. 150. В результате взрыва метаемая пластина приобретает скорость порядка нескольких сот метров в секунду. Эта скорость V в первом приближении определяется  скоростью  D  детонации  ВВ  и отношением

одномерного приближения и считать детонацию мгновенной, то для скорости метания можно получить следующую формулу [8j:

Здесь k — показатель адиабаты продуктов взрыва, который для ряда распространенных ВВ можно считать равным 3.

Зная скорость V, можно найти угол соударения у. который является важным параметром сварки. В естественном предположении об отсутствии сил, действующих вдоль метаемой пластины, скорость V должна быть направлена по биссектрисе угла MPQ на рис. 150 (направление PQ параллельно начальному направлению метаемой пластины), и мы получим, что

Важным параметром, характеризующим режим соударения, является также скорость точки М контакта пластин, определяющаяся из очевидного соотношения

Если первоначально пластины устанавливаются параллельно друг другу (а = 0), то скорость точки контакта равна скорости детонации.

В окрестности точки контакта при сварке взрывом, как и при схлопывании кумулятивных оболочек, развиваются столь высокие давления, что прочностные свойства металлов становятся несущественными, и в узкой зоне, примыкающей к поверхности контакта, можно пользоваться схемой несжимаемой жидкости. Отличие сварки от кумуляции состоит в том, что при сварке не наблюдаются кумулятивные струи, а вместо этого на поверхностях контакта образуются волны более или менее правильной синусоидальной формы, иногда с вихревыми зонами (рис. 151).

При описании кумуляции в гл. VII мы отмечали, что при очень малых углах а при вершине конуса, меньших некоторого критического значения, определяемого свойствами материалов, устойчивого образования струй не происходит. Заметим, что при сварке взрывом берут как раз такие малые углы наклона пластин (различие между конусом и пластиной сводится к различию между осссимыетричной и плоской задачами и поэтому несущественно).

Явление волнообразования при сварке взрывом долгое время не находило теоретического объяснения. Была,

однако, экспериментально получена зависимость между длиной волны к и параметрами соударения, которая в случае, когда метаемая пластина много тоньше неподвижной, имеет вид [9]

не входят другие параметры соударяющихся металлов (в том числе и прочностные), что подтверждает гипотезу о гидродинамическом характере процесса волнообразования при сварке взрывом.

Прежде чем перейти к описанию теоретического объяснения этого процесса, которое было недавно получено

С. К- Годуновым и А. А. Дерибасом, приведем предварительный анализ задачи, следуя работе этих же авторов, совместной с А. В. Забродиным и Н. С. Козиным [10].

, V1 и V2 — скорости пластин, направленные нормально к пластинам; они связаны со скоростью U точки контакта М очевидными соотношениями

малы, а ось х направлена

, где

— плотности пластин. Уравнения движения мы запишем в акустическом приближении (см. гл. I):

где и и v — компоненты скорости, р — давление, р — плотность среды при V = 0, а с — скорость звука (для простоты письма мы опускаем индексы 1 и 2, относящиеся соответственно к верхней и нижней пластинам). Мы будем предполагать, что U < с, ибо именно в этом случае происходит сварка взрывом, сопровождаемая волнообразованием.

Нас интересует решение системы (6), стационарное в системе координат, связанной с точкой контакта. Поэтому мы положим и, v и р соответственно равными U + и(х + Ut,у), v(x+Ul,y) и р(х + Ut,y), и тогда (6) заменится системой

является функцией только от у; предполагая движение безвихревым, мы можем считать эту величину равной нулю во всей области течения:

(величина под корнем положительна, ибо мы считаем, что U < с), мы перепишем эту систему в виде

Отсюда следует, что функция

является аналитической функцией комплексного переменного z = х + iky, и нам остается найти эту функцию, пользуясь граничными условиями задачи.

. Кроме того, будем приближенно

с разрезом вдоль отрицательной полуоси; эту область мы обозначим буквой D (рис. 153).

. Для полного определения f потребуем еще условие: 4) в окрестности точки контакта А0 (г = 0)

где А — некоторая постоянная. Последнее условие было получено в результате анализа ряда численных решений двумерной нестационарной задачи о соударении пластин в схеме идеальной жидкости.

обратное к этому отображению

имеет вид

причем соответствующие точки обозначены на рис. 153 одинаковыми буквами (см. Л. и Ш., стр. 185). Нетрудно проверить, что всем условиям удовлетворяет функция

как видно из (12),

выражение для В можно

, Тогда, учитывая еще (14), мы найдем приближенное выражение функции f в окрестности точки контакта z — 0:

следовательно, в окрестности точки контакта

или, в системе координат, связанной с точкой контакта,

Мы видим, что в окрестности точки контакта свободная поверхность представляет собой параболу. Характерным размером для зоны высоких давлений можно считать радиус кривизны этой параболы в начале координат, т. е. величину

(мы подставили вместо k и С их выражения).

определяется характерным размером R и скоростью U:

Такую зависимость, однако, пока не удалось подтвердить экспериментально из-за технических трудностей.

Волнообразование. В многочисленных экспериментах по сварке взрывом обнаружено, что волны на поверхности контакта образуются не в момент соударения, а некоторое время спустя. В силу этого поверхность контакта у передней кромки оказывается гладкой, а волнистость начинается лишь на некотором расстоянии от кромки (рис. 154).

Возникло предположение, что для инициирования процесса волнообразования необходимо некоторое начальное возмущение в точке контакта. Такое возмущение может давать волна разрежения, которая приходит в точку контакта от свободной поверхности метаемой

где

по-прежнему U — скорость точки контакта, а с — скорость звука в метаемой пластинке. Отсюда длина участка AM (рис. 155), до которого еще не доходит отраженная волна:

Эксперименты показывают, что размер зоны поверхности контакта, в которой волн еще нет, приближенно описывается этой формулой.

Для проверки гипотезы о роли волны разрежения в инициировании волнистости поверхности контакта были поставлены контрольные опыты. В них разрежение в точке контакта создавалось искусственно, при помощи специального уступа в неподвижной пластине. В этих опытах волны на поверхности контакта начинались сразу за уступом, даже в том случае, когда уступ находился от передней кромки на расстоянии, меньшем l0.

стационарные волны не появлялись.

Таким образом, волнообразование при сварке взрывом не следует рассматривать как проявление какой-либо неустойчивости. Более естественно считать, что здесь имеется некоторая автоколебательная система с жестким возбуждением.