Zgrzewanie wybuchem

Prowadzący:Dr inż. Ryszard Gorockiewicz

Opracował: Adam Pabiński

11 MiBM S2

szerokim zakresem możliwości łączenia różnych metali, nawet takich, których spajanie innymi metodami jest trudne lub niemożliwe, tabl.

dobrymi własnościami mechanicznymi i technologicznymi połączeń.

Zgrzewanie wybuchowe zalicza się do grupy mechanicznych metod spajania i wyróżnia się wśród innych m.in.:

Zgrzewanie wybuchowe jest wykorzystywane najszerzej

do platerowania metali głównie w postaci blach.

Wybuchowo wytwarza się na gotowo albo po zgrzaniu poddaje się walcowaniu. Wybór sposobu

wytwarzania zależy od wymaganych wymiarów i własności blachy platerowanej. Blachy platerowane

stosuje się do wytwarzania zbiorników wysokociśnieniowych, ścian sitowych wymienników

ciepła, elementów aparatury chemicznej, pojemników odpadów nuklearnych, płyt

przeciwpancernych, folii jubilerskich, monet, naczyń kuchennych. Jako materiały pokrywające stosuje się

m.in.: stale nierdzewne, mosiądze, brązy, miedź, aluminium i jego stopy, stopy niklu, tytanu,

cyrkonu, wolframu.

Blachy platerowane

Zgrzewanie wybuchowe polega na łączeniu dwóch lub więcej

elementów metalowych za pomocą energii wyzwalającej się przy

detonacji materiału wybuchowego, co przedstawiono schematycznie na

rysunku.

Schemat zgrzewania wybuchowego z ułożeniem płyt łączonych pod kątem α (a) i ułożeniem równoległym (b); 1 – materiał wybuchowy, 2 – podkładka

ochronna, 3 – zapalnik, 4 – płytka platerowana, 5 - płyta platerująca, 6

- podpora

Łączone płyty (4) i (5) mogą być ustawione względem siebie pod określonym kątem α

(a), bądź równolegle (b). Na płycie (4) ułożonej na masywnym podłożu

umieszczona jest podpora (6) oddzielająca łączoną cieńszą płytę (5), na powierzchnię

której nałożona jest podkładka ochronna (2) z warstwą kruszącego materiału

wybuchowego (1) i detonatorem (3).

Płyta nastrzeliwana pod wpływem detonacji, której front przesuwa się z prędkością

detonacji D, jest w sposób ciągły odrzucana i odginana o kąt δ co powoduje, że

zderzenie płyt następuje pod kątem β = α + δ, dla układu ze wstępnym kątem α (a) lub

β = δ dla układu równoległego. Kąt β nazywa się kątem zderzenia, a kąt δ -

kątem odrzutu.

Zderzenie dwóch ciał stałych powoduje powstanie wewnętrznych ciśnień w sąsiedztwie punktu kolizji. Ciśnienia przy zderzeniu metali osiągają wartości rzędu dziesiątek tysięcy MPa

i wystarczają, aby pomijając wytrzymałość materiału, traktować ruch metali w obszarze

zderzenia jako przepływ ściśliwego, nielepkiego płynu. Wynika stąd, że zderzenie ukośne płyt

metalowych, któremu towarzyszy powstawanie strumienia usuwającego warstewki

powierzchniowe (tlenkowe) z metalu, można traktować jako zderzenie dwóch strumieni

cieczy.

Mechanizm zgrzewania wybuchowego nie został dotychczas w pełni wyjaśniony. Przyjmuje się, że zgrzewanie wybuchowe jest następstwem

współdziałania ze sobą wielu procesów w obszarze zderzenia. Do najważniejszych

zalicza się: samooczyszczanie powierzchni, formowanie się fal międzypowierzchniowych,

procesy cieplne, odkształcenie plastyczne, działanie naprężeń rozciągających. Procesowi zgrzewania towarzyszą zjawiska rekrystalizacji

i dyfuzji, które przebiegają głównie bezpośrednio po uformowaniu połączenia i wpływają znacząco na własności połączeń.

Schemat procesu zgrzewania wybuchowego płyt ułożonych

wstępnie pod kątem α;

ß - kąt zderzenia, vD – szybkość łączenia, vZ – szybkość przemieszczania

nastrzeliwanej płyty,

W procesie zgrzewania wybuchowego przy odpowiednich parametrach powstają cykliczne odkształcenia zgrzewanych

powierzchni. Odkształcenia te ze względu na ich kształt i charakter nazywa się falami

międzypowierzchniowymi. Ich długość i amplituda są funkcją wielu czynników.

Odkształcenie plastyczne zderzających się powierzchni płyt jest jednym z

podstawowych warunków uzyskania połączenia przy zgrzewaniu, głównie przez

spowodowanie dostatecznego zbliżenia zgrzewanych powierzchni.

Ponadto zgrzewaniu wybuchowemu towarzyszy powstawanie na powierzchni

nastrzeliwanej płyty w obszarze zderzenia płyt naprężeń ściskających, na których froncie wytwarzają się bardzo wysokie

ciśnienia w czasie bardzo krótkiego czasu działania rzędu kilku mikrosekund.

Możliwości łączenia metodą zgrzewania wybuchem wybranych metali i stopów

Ogólna charakterystyka połączeń zgrzewanych wybuchem

Geometria i budowa zgrzein wybuchowych zależy przede

wszystkim od rodzaju łączonych metali, parametrów zgrzewania,

grubości zgrzewanych elementów, rodzaju podłoża i przygotowania powierzchni.

połączenia płaskie bez warstwy pośredniej, połączenia faliste, połączenia z ciągłą warstwą pośrednią.

Niezależnie od rodzaju zgrzewanych metali można wyróżnić trzy podstawowe typy połączeń

uzyskiwane przy różnych parametrach zgrzewania:

bez warstwy pośredniej, tworzą się przy małych prędkościach przebiegu zgrzewania. Mają charakter typowo adhezyjny. Przyległe do powierzchni kontaktowej warstwy metali

mają znacznie odkształcone ziarna w kierunku zgodnym z kierunkiem detonacji.

Połączenia płaskie

tworzą się przy większych prędkościach zgrzewania niż połączenia płaskie bez warstwy pośredniej. Wzrost

prędkości zgrzewania powoduje powstanie w połączeniu obszarów warstwy pośredniej, która jest stopioną i

zakrzepniętą warstwą metalu podczas procesu zgrzewania. W praktyce dąży się do uzyskania połączeń

falistych bez warstwy pośredniej lub z niewielkim jej udziałem, ponieważ posiada ona dużą twardość, strukturę

dendrytyczną z licznymi defektami w postaci jam usadowych, pęknięć, pęcherzy. Struktura metali w warstwach przyległych do powierzchni kontaktowej

istotnie zależy od wielkości obszarów stopionych podczas łączenia, które są źródłem ciepła. Jeśli te obszary są

niewielkie lub ich brak, to w warstwach przyległych do powierzchni kontaktowej występują skutki odkształcenia plastycznego na zimno – linie poślizgu, wydłużone ziarna.

Obecność obszarów stopionych o znacznej wielkości powodują zanik tekstury walcowania, rekrystalizację i

rozrost ziarn.

Połączenia faliste

tworzą się przy dużych prędkościach zgrzewania, w przybliżeniu odpowiadających prędkości rozchodzenia się dźwięku w zgrzewanych

metalach. Zgrzane metale są połączone ze sobą warstwą stopionego i zakrzepniętego metalu podczas zgrzewania. W obszarze

przyległym do warstwy pośredniej występuje szeroka strefa zmian strukturalnych, w której zanika tekstura walcowania i zgniot wywołany procesem łączenia, a ziarna ulegają rozrostowi.

Połączenia takie mają bardzo dużą wytrzymałość na rozciąganie i twardość ale są kruche, dlatego nie są stosowane w praktyce.

Połączenia z ciągłą warstwą pośrednią

wytrzymałość nie mniejsza niż wytrzymałość słabszego z łączonych metali,

budowa falista (najkorzystniej fale o niewielkiej długości i wysokości) z możliwie naj-mniejszym udziałem obszarów stopionych.

Podstawową zasadą oceny zgrzein wybuchowych są:

Blachy platerowane stanowią tworzywo konstrukcyjne, które

powinno mieć określoną podatność do przetwórstwa. Podstawowymi próbami badania jakości połączeń

platerowanych, poza przewidzianymi przez PN-79/H-92140, są : próba ścinania oraz próba odrywania.

Przykłady połączeń zgrzewanych wybuchem

Materiały te można zgrzewać w dość szerokim zakresie parametrów, co powoduje uzyskiwanie

połączeń o zróżnicowanej budowie i własnościach. Cechą wspólną tych połączeń, niezależnie od warunków połączenia, jest charakterystyczna

budowa strefowa, w której wyróżnia się: warstwę pośrednią łączącą obie zgrzewane stale, w stali niestopowej – strefę o jasnych ziarnach

byłego perlitu, strefę o strukturze iglastej, którą tworzą wydłużone subziarna, oraz strefę o niezmienionej strukturze ferrytyczno-perlitycznej,

w stali nierdzewnej – strefę o dużym odkształceniu plastycznym (zdeformowane ziarna, bliźniaki)

Stal niestopowa platerowana stalą nierdzewną

Mikrostruktura połączenia stali 1H18N9T- St3, wytworzonego metodą zgrzewania wybuchowego, pow. 100x (a), pow. 500x (b). Traw. nital

Główna trudność spajania stali z aluminium polega na tworzeniu się kruchych warstw

międzymetalicznych w obszarze połączenia, co uniemożliwia stosowanie tradycyjnych metod łączenia tych dwóch materiałów.

Platerowanie wybuchem przebiegające w ułamkach sekund powoduje, że powstające

warstewki faz międzymetalicznych mają bardzo małą grubość i występują tylko na ograniczonym obszarze jako wtrącenia.

Stal niestopowa (węglowa) platerowana aluminium

Połączenia stali z aluminium uzyskuje się tylko w bardzo ograniczonym zakresie

parametrów zgrzewania. Charakteryzuje je połączenie faliste, o wytrzymałości Ro około 140 MPa. Większą wytrzymałość uzyskują

połączenia stali ze stopami aluminium przez przekładkę z czystego aluminium, co

znajduje szerokie zastosowanie przemysłowe.

Mikrostruktura połączenia metodą wybuchową stali niestopowej z aluminium. W obszarze połączenia widoczne wydzielenia fazy przejściowej oraz silne odkształcenie plastyczne stali. Traw. nital

Mikrostruktura połączenia metodą wybuchową stali niestopowej z aluminium, z przekładką z miedzi. W obszarze połączenia widoczne silne odkształcenie plastyczne stali. Traw. nital

Połączenia takie są uzyskiwane w szerokim zakresie parametrów zgrzewania. Wzdłuż

granicy falistego połączenia tych materiałów występuje strefa przemieszania

o bardzo zróżnicowanej budowie, zawierająca wtrącenia miedzi i stali, a także

odcinki bezpośredniego, bezdyfuzyjnego połączenia miedzi ze stalą. Własności

mechaniczne połączeń stali gat. St3 i miedzi M3 wynoszą: Ro = 280 ÷ 320 MPa i Rs = 200

÷ 280 MPa.

Stal niestopowa (węglowa) platerowana miedzią