Eksplosiv svejsning: Anvendelser og varianter

Efter at have læst denne artikel vil du lære om: - 1. Generel beskrivelse af eksplosiv svejsning 2. Prinsipp for drift af eksplosiv svejsning 3. Funktionsmåder 4. Procesvariabler 5. Svejsede fælles egenskaber 6. Variants 7. Applications.

Generel beskrivelse af eksplosiv svejsning:

Tilslutning af store komponenter af vanskelige svejsemetaller svejses ved eksplosiv svejsning. Sterke metallurgiske samlinger kan fremstilles mellem dele af samme metal eller forskellige metaller, for eksempel kan stål svejses til tantal, selvom smeltepunktet af tantal er højere end stålets fordampningspunkt.

I mange af de kritiske komponenter, der anvendes i rum- og nukleare applikationer, bruges eksplosiv svejsning til at fremstille dem, da de ikke kan fremstilles ved en anden proces, og det viser sig ganske vist at være den billigste proces i nogle af de kommercielle applikationer. Imidlertid udføres de fleste eksplosive svejsninger på sektioner med relativt store overfladearealer, men i nogle applikationer fremstilles små komponenter også ved denne proces.

Princippet om drift af eksplosiv svejsning:

Naturen af ​​grænsefladen mellem de påvirkningskomponenter afhænger af den hastighed, hvormed de rammer hinanden. Et fladt interface dannes, hvis kollisionshastigheden er under den kritiske værdi for en bestemt kombination af materialer, der svejses. Sådanne svejsninger betragtes ikke som gode, fordi små variationer i kollisionsbetingelserne kan resultere i manglende binding og dermed en uacceptabel svejsning.

Svejsninger lavet med kollisionshastigheder over den kritiske værdi har en bølget grænseflade som vist i figur 13.24 med bølgelængden varierende mellem 0, 1 og 4, 0 mm og bølgelængde fra 0, 25 til 5, 0 mm afhængigt af svejsebetingelserne. Svejsninger med en sådan grænseflade har bedre mekaniske egenskaber end dem med fladt interface.

I sådanne svejsninger observeres også et fænomen kendt som overfladestråling, således at en lille metalstråle dannes af metallerne af de to påvirkningskomponenter, som vist i figur 13.25. En sådan stråle er frit udvist ved kanten af ​​leddet, men hvis den er fanget, resulterer det i krusningseffekt.

Ved eksplosiv svejseopsætning vist i figur 13.26 bliver slaghastigheden pladens hastighed Vp, og den skal være høj nok til, at slagtrykket overstiger materialets udbyttebelastning med en betydelig margen. Kollisionspunktshastigheden, V _cp dvs. den hastighed, ved hvilken kollisionspunktet bevæger sig langs overfladen, der er forbundet, skal også være mindre end lydens hastighed i de to materialer.

Forholdet mellem de forskellige hastigheder er vist i vektordiagrammet i figur 13.27, hvor Vis slaghastigheden, _Vj, jethastigheden, Vb bundpladens hastighed og a er indfaldsvinklen, som bliver faktisk stand-off vinkel g som vist i figur 13.28.

De eksplosive svejsninger fremstilles af en af ​​de to opsætninger vist i figur 13.29. Svejsningerne laves bedst med parallel konfiguration af komponenter, hvor kun en plade er accelereret. I en sådan opsætning skal eksplosivets detonationshastighed være mindre end lydens hastighed i materiale, der skal forbindes for at opfylde betingelsen om, at kollisionspunktets hastighed, V _cp, skal være subsonisk. Det er imidlertid svært at opfylde denne betingelse med de fleste af eksplosiverne, som det fremgår af tabel 13.2.

Sprængstofets detonationshastighed skal være mindre end ca. 120% af lydhastigheden, Vs af materialet, der svejses.

hvor, k = adiabatisk masse, dyn / cm2,

p = materialetæthed, gms / cm3

E = Youngs modul, og

σ = Poisson-forholdet.

Hvis eksplosivets lydhastighed er større end 120% af lydhastigheden af ​​materialet med højere lydhastighed, udvikler en stødbølge. Dette resulterer i en ekstremt stejl stigning til det maksimale tryk. (Maksimumtrykket ved grænsefladen er lig med sprengstoffets detonationstryk).

I et sådant tilfælde oplever materialet lige foran stødbølgen intet tryk, mens materialet lige bag stødbølgen komprimeres til spidsbelastning og tæthed. Stødbølgen bevæger sig gennem materialet med en supersonisk hastighed og skaber betydelig plastisk deformation lokalt og resulterer i betydeligt hærdning kendt som stødhærdning.

Den anden type detonation er, når detonationshastigheden er mellem ca. 100% og 120% af lydhastigheden af ​​materialet, der svejses. Dette resulterer i en løsrevet chokbølge, der bevæger sig lidt foran detonationen.

Når detonationshastigheden er mindre end metalets lydhastighed, bevæger trykket, der frembringes af de ekspanderende gasser, og som overføres til metalet, hurtigere end detonationen. Selvom der ikke produceres stødbølge, men det stigende tryk når sin højeste værdi.

I tilfælde 2 og 3, dvs. fritliggende chokbølge og ingen chokbølge tilfælde, genereres tryk foran metalpladernes kollisionspunkt. Hvis der dannes et tilstrækkeligt stort tryk, vil det få metalet lige før kollisionspunktet til at strømme som en stråle ind i rummet mellem pladerne. Denne højhastighedshastighed udstråler materialet, som fjerner de uønskede oxider og andre uønskede overfladefilm. På kollisionspunktet påvirker de nyrensede metaloverflader ved højt tryk, typisk mellem 0, 5 og 6 GPa.

Der genereres også en signifikant mængde varme ved detonering af eksplosivmaterialet. Men da detonation er afsluttet inden for et par hundrede mikrosekunder, så strømmer en meget lille del af det ind i metalet. Således udføres ingen bulkdiffusion, og der fremstilles en svejsning med kun lokaliseret smeltning.

Det er derfor bedre at anvende vinkelopsætning, hvor kollisionspunktets hastighed er en funktion af pladens hastighed og den indledende standsevinkel, medens den kun er indirekte afhængig af detonationshastigheden V _D, som det fremgår af det følgende forhold.

Pladens hastighed Vp er relateret til pladens masse og eksplosive såvel som impulsen (pr. Enhedsmasse) af eksplosivmaterialet. At kende disse parametre Vp kan således beregnes.

I vinkelopsætningen er bølgelængden af ​​krusningerne direkte relateret til kollisionspunkthastigheden; mens formen af ​​krusningerne afhænger af pladens hastighed. Krybebølger produceres oftest med høj pladehastighed. For eksempel resulterer svejsning af aluminium med fast stand-off-vinkel, at forøgelse af pladehastigheden fra 260 m / sek til 410 m / sek resulterer i en ændring fra en sinusformet bølgeformation til en højhældet sågetand type bølge. Ved at øge stand-off-vinklen fra 0, 75 ° til 4, 5 ° øges bølgelængden fra 110 til 150 pm.

Ripples tonehøjde varierer også med stand-off-vinklen. Der blev ikke rapporteret nogen variation i bølger for svejsninger i stål med vinkler mellem 1 ° og 15 °, men stigningen og amplituden steg med vinklen. For en stand-off vinkel mellem 15 ° og 20 ° blev grænsefladen fuldstændig flad, over 20 ° blev der ikke produceret svejsning.

Påvirkningsbetingelserne for parallelpladeopsætning er relateret af følgende ligning:

hvor V _cp er slag- eller kollisionspunktshastigheden, som er lig med eksplosivets detonationshastighed (V _D ), kaldes y den dynamiske bøjningsvinkel. Det er den vinkel, der er skabt mellem flyer og målplader ved slagpunktet, mens Vp er pladens kollisionshastighed ved slagpunktet.

Typisk ligger detonationshastigheden mellem 1200 og 3800 m / sek afhængig af det metal, som skal svejses. Stand-off-afstanden, som er en uafhængig variabel som V _D, er valgt for at opnå en specifik dynamisk bøjningsvinkel og slaghastighed.

Den dynamiske bøjningsvinkel er en afhængig variabel, der styres af detonationshastigheden (V _D ) og stand-off-afstanden. Typiske værdier for y er mellem 2 og 25 grader. Dette resulterer i en pladekollisionshastighed ved slagpunktet (Vp) på ca. 200 til 500 m / sek.

Et vigtigt aspekt ved eksplosiv svejsning er flowmønsteret i kollisionspunktets område. Under betingelser med subsonisk strømning indberettes metalmet til at opføre sig som en ikke-viskøs komprimerbar væske. På grund af jetdannelse er oxidfilm og absorberede gasser helt fjernet fra svejsningen. Når strålen bliver ustabil, kan gaserne og oxidfilmene imidlertid indeslutes; dette ser ud til at forekomme med Reynold-nummer på mere end 50. Når strålen indeslutes, kan det enten resultere i et kontinuerligt smeltet metallag på ½ til 250 pm tykkelse eller i dannelsen af ​​en ripplet grænseflade, som ofte har lokaliserede smeltede zoner på forsiden af kammen.

Metoder til drift af eksplosiv svejsning:

Fra figur 13.29, der viser de eksplosive svejsesætninger, er det tydeligt, at der er fire grundlæggende komponenter i denne proces:

1. Målplade,

2. Flyer plade,

3. Bufferplade og

4. Eksplosiv og en detonator.

Målpladen forbliver stationær og understøttes ofte på en ambolt af stor masse. Når eksplosivet er detoneret, trykker det flyvepladen mod målpladen. For at beskytte flyerpladen mod overfladeskader som følge af impaktion samt at kontrollere kollisionshastigheden, placeres et tyndt lag af gummi eller PVC eller endda spånplader mellem det og det eksplosive for at fungere som buffer eller dæmpning.

Eksplosivet kan være i arkform, men er normalt i granulær form og spredes ensartet over bufferpladen. Den kraft, som flyerpladen udøver på grund af eksplosion, afhænger af detonationsegenskaberne og mængden af ​​eksplosivmaterialet. Svejsning udføres i mikrosekunder med meget lidt samlet deformation, hvis nogen. Generelt udføres svejsearbejdet i luft, men i nogle tilfælde kan der anvendes et groft vakuum på ca. 1 torr, dvs. 1 mm kviksølv eller 133.322 x ^10-6 N / mm2.

Til eksplosiv svejsning er det nødvendigt at give subsonisk hastighed (V _p ) til flyerpladen. Dette skal gøres med et eksplosivstof, som ofte har en temmelig konstant detonationshastighed på ca. 6000 m / sek. Vægten af ​​det eksplosive materiale, der kræves til et specifikt svejsearbejde, bestemmes af forsøg og fejl, og der synes at være en lineær sammenhæng mellem forholdet (vægt af eksplosiv / vægt af flyvepladen) og flyvepladens hastighed, V _p . Et forhold på 0, 5 giver en pladehastighed på 900 m / sek for Du Pont ark-eksplosiv EL 506 D under anvendelse af et tyndt lag af gummi som buffer. For vellykket eksplosiv svejsning kræves det, at hastighederne på de to plader skal være ens, og det kræver, at hældningsvinklen mellem dem skal være lille som vist i figur 13.30. Ved lave vinkler bliver slaghastigheden for at producere bølger ved grænsefladen større.

Når eksplosiv svejsning udføres ved det normale atmosfæriske tryk, tilvejebringer gassen mellem pladerne dæmpningseffekten, der ikke blot nødvendiggør højere minimumshastighed, men kan også føre til inkonsekvente resultater. Til svejsning af aluminium i vakuum på ca. 1 mm Hg bør kollisionshastigheden være ca. 150 til 300 m / sek med en indbefattet vinkel på 1 ° til 2 °. For at accelerere pladerne, der svejses til denne hastighed, bør afstanden være lig med 1/4 til 1/2 gange pladetykkelsen som markeret i figur 13.30.

Stand-off afstanden holdes ved brug af en shim. Der er mange typer shims, der er designet til at blive forbrugt af jeten, for ikke at påvirke svejsningen negativt.

Hvis den effektive vinkel, der opnås ved flyerpladen, er for lille, vil hastigheden være meget supersonisk, og der vil ikke blive dannet nogen bølger ved grænsefladen. Ideelt set skal eksploderingsens hastighed være subsonisk. Det er dog sjældent muligt i praksis, da detonationshastigheder overstiger 5500 m / sek, mens lydstyrken i stål, der er blandt de højeste blandt metaller, kun er 5200 m / sek, som vist i tabel 13.3.

Der kræves ingen særlig overfladerensning til eksplosiv svejsning; Dog skal fedt, hvis det er til stede, i overfladen fjernes. Snavs eller oxid, hvis der er overskud, vil blive akkumuleret nær krusningerne i krusningerne og kan føre til nedsat styrke af leddet.

Trykket svarende til en pladehastighed på 120 m / sek på kobber er 2400 N / mm ² og for en hastighed på220 m / sek på aluminium er det 6200 N / mm ² . Disse tryk er tilstrækkelige til at tvinge metal gennem revner i oxidfilmen og svejses. Det er også rapporteret, at selv når overfladerne af 18/8 rustfrit stål og mildt stål var dækket med klæbende lag af sort oxid, blev de svejset tilfredsstillende med den ønskede ripplede grænseflade.

Problem 1:

Ved hjælp af et vægtforhold (eksplosionsvægt / flyvepladens vægt = .3) kommer flyerpladens hastighed til 540 m / sek. Find flyerpladen til målplade inkluderet vinkel (a), så kollisionspunktets hastighed (V _cp ) holdes subsonisk (<5000 m / sek) til svejsning af stålplader ved brug af Du Pont-pladesprængte med en detonationshastighed på 7100 m / sek .

Opløsning:

Problem 2:

Vælg et egnet eksplosivstof fra de tre, der er angivet i nedenstående tabel, til eksplosionssvejsning af aluminiumplader med 2 ° inkluderet vinkel, hvis flyerpladens hastighed skal være 900 m / sek. Lydhastigheden i aluminium er 5500 m / sek.

Procesvariabler i eksplosiv svejsning :

De største procesvariabler i eksplosiv svejsning er:

(i) Effekthastighed,

(ii) Stand-off-afstand, og

(iii) Angle angreb.

(i) Effekthastighed:

Påvirkningshastigheden afhænger af forholdet mellem eksplosivets vægt og vægten af ​​flyvepladen og også på kontaktvinklen. For hvert materiale er der en minimumshastighed under hvilken svejsning ikke finder sted, for eksempel kan kobber ikke svejses med hastigheder under 120 m / sek og aluminium ved hastigheder mindre end 255 m / sek.

Den maksimale hastighed, der kan anvendes til eksplosiv svejsning, bestemmes af lydens hastighed i målpladematerialet, fordi bølgen i målet ikke kan formere sig foran båndfronten ved supersoniske hastigheder. Også hastigheden nær emnet af emnet reduceres, hvilket resulterer i at lette trykket i sådanne zoner; dette kan føre til utilfredsstillende svejsning nær arbejdskanterne, når der anvendes næsten minimumshastighed.

Minimumshastigheden for et hvilket som helst materiale bestemmes af størrelsen, hvormed projektilmaterialet bliver tilstrækkeligt plastisk til stød for at danne en delt stråle. Forskellige eksplosivstoffer medfører forskellige hastigheder, og der skal derfor tages behørigt hensyn til, når du vælger eksplosiv.

To vigtige egenskaber ved eksplosivstoffer til svejsning er detonationshastighed og farefølsomhed. Sidstnævnte påvirker håndteringssikkerheden, da den refererer til termisk stabilitet, holdbarhed og stødfølsomhed af eksplosivmaterialet.

Mens detonationshastigheden er proportional med eksplosivets densitet, er det dannede tryk proportional med både densiteten og detonationshastigheden. Sprængstofets detonationshastighed afhænger af dens tykkelse, pakningsdensitet såvel som det passive materiale blandet med eksplosive for at reducere dets detonationshastighed.

Nogle af de eksplosiver, der generelt anvendes til at give de ønskede detonationshastigheder, omfatter:

(i) Ammoniumnitrat-TNT-atomiseret aluminiumblanding,

ii) Ammoniumnitratpaller med 6 til 12% dieselbrændstof,

(iii) Nitroguanidinne plus inert materiale,

(iv) Amatol og sool med 30 til 55% stensalt.

(ii) Stand-off Distance :

Forøgelse af stand-off-afstanden øger tilgangsvinklen mellem flyerpladen og målpladen. Dette resulterer i øget størrelse af bølgen, der når et maksimum og derefter falder, da stand-off-afstanden øges yderligere. Ved en parallel opsætning anvendes normalt en stand-off-afstand på mellem ½ og 2 gange tykkelsen af ​​flyerpladen. den mindre stand-off-afstand anvendes med et eksplosivstof med høj detonationshastighed.

(iii) Angle angreb :

For vellykket eksplosiv svejsning kræves der normalt mellem 5 ° og 25 ° vinkelsvinklen. Med en parallel opsætning kan denne vinkel kun udvikles, hvis der er en passende stand-off-afstand. Ved svejsning af rørpladerne opnås en passende vinkel ved at tappe hullet i rørpladen som vist i figur 13.31.

Svejsede fælles egenskaber ved eksplosiv svejsning :

Fælles egenskaber ved en eksplosiv svejsning påvirkes afhængigt af om grænsefladen er dannet af fanget stråle, hvilket resulterer i krusning eller den fri stråle, der resulterer i den totale udvisning af et tyndt grænseflader. Den fangede jetteknik er foretrukket, da den resulterer i en udvidet grænseflade til en udstrækning på næsten 75% i længden.

Det er rapporteret, at sammensmeltede nuggets er fundet indlejret foran og i nogle tilfælde lige bag kanten af ​​grænseflodbølgeformationen. I disse zoner synes der at være betydelig blanding af forskellige metaller, der fører til løsne partikler af et metal i den anden eller til fremstilling af faste opløsninger eller intermetalliske forbindelser. Fri jetting kan give en kontinuerlig støbt grænseflade zone som i kobber. Fri jetting er i stand til at forårsage fuldstændig udvisning af den grænseflade metalliske zone.

På aluminium kan en 10 ° stand-off-vinkel resultere i næsten usynlig solid state-grænseflade, hvor alle spor kan fjernes ved glødning, mens en parallel stand-off giver en ripplet grænseflade med et mørkt grænsefladerlag, der ikke er upåvirket af glødning.

Interfacial hårdhed svejsninger i kobber steg fra 65 til 150 VHN, mens mildt stål til kobber svejsninger resulterede i mere hærdning i kobber derefter stålet, mens kobber hærdet fra 60 til 160 VHN, stålet hærdet fra 120 til 160 VHN. Rustfrit stål nåede en hårdhedsværdi på 400 VHN muligvis på grund af dannelsen af ​​martensit, mens kobber, hvortil det blev svejset, steg i hårdhed fra 60 til 150 VHN.

Det er tydeligt, at ikke-ligevægtsfaser kan fremstilles under eksplosiv svejsning, og at høje belastningsrater resulterer i meget høje diffusionshastigheder; også at de fremstillede faser er følsomme for den nøjagtige driftsmetode og de anvendte procesvariabler.

Varianter af eksplosiv svejsning:

Eksplosiv punktsvejsning er måske den eneste variant af processen. I denne proces bruges en lille eksplosiv ladning til at blive tilsluttet vanskelige svejsemetaller,

En robust og kompakt håndholdt eksplosiv punktsvejser med en vægt på ca. 5 kg kan anvendes til fremstilling af svejsninger op til ca. 10 mm i diameter. Elektrisk strøm er brugt til at tænde opladningen, og enheden er forsynet med flere sikkerhedsafbrydere. PTN (pentaerythritetranitrat) eksplosive kapsler af forskellig vægt er tilgængelige til brug med standardhætten.

Normalt eksplosiv er i direkte kontakt med emnet, der skal svejses. Imidlertid kan plastpufferplader tilvejebringes for at beskytte arbejdsfladen, hvor det er nødvendigt. Stand-off afstand kan varieres, hvis det kræves, men normal praksis er at styre den eksplosive kraft ved at bruge så lille en eksplosiv ladning som muligt.

De fleste af metalkonstruktionerne kan plettesvejses ved eksplosiv svejsning, men processen er blevet rapporteret at være særdeles vellykket til svejsning af austenitisk rustfrit stål til koboltbaserede legeringer til anvendelse ved højtemperaturanvendelser og også til sammenføjning af nikkelbaseret legering, såsom Inconel og nikkel. Aluminiumlegeringer kan også let plettesvejses, forudsat at de rengøres af det vedholdende oxidlag i højst 4 timer før svejsning.

Eksplosiv punktsvejsning kan vise sig uundværlig til rumanvendelser som f.eks. Nødreparationer til rumfartøjer eller endog til opførelse af enheder i rummet.

Anvendelse af eksplosiv svejsning:

Eksplosiv svejsning er en specialiseret proces, der anvendes til omløbssamlinger i vanskelige svejsemetaller og deres kombinationer. Aluminium og kobber kan svejses til rustfrit stål, aluminium til nikkellegeringer og rustfrit stål til nikkel. Aluminium kan svejses til kobber og rustfrit stål til messing. Binding af aluminium til stål er kompliceret ved dannelsen af ​​FeAl _2- lag ved grænsefladen.

Dette kan imidlertid afhjælpes ved at placere et mellemlag af et metal, som er kompatibelt med begge disse metaller, eller ved at vælge parametrene for at reducere diffusionsgraden, der forekommer over grænsefladen. Svejsernes styrke afhænger af strukturen ved grænsefladen, men en svejsning, der ikke har en skør grænseflade, giver normalt 100 procent effektivitet i - forskydning eller spænding.

I almindelighed kan metaller med forlængelse på mindst 5% i 50 mm måle længde og karbid V-hak slagstyrke på 13, 5 joules eller mere svejses ved eksplosiv svejsning. Normalt stiger styrke og hårdhed, og duktiliteten falder som følge af eksplosiv svejsning. Dette skyldes alvorlig plastisk deformation, der især opstår i flyerpladen. Eksplosiv svejsning kan også øge kuglestålens duktile-til-skøre overgangstemperatur.

Pladding af plader er en af ​​de store kommercielle anvendelser af eksplosiv svejsning. Klædte plader leveres som svejset tilstand, fordi den forøgede grænsefladehårdhed ikke påvirker pladernes tekniske egenskaber. En lille forvrængning af plader kan finde sted under beklædningen, som skal afhjælpes for at opfylde standardfladens specifikationer. Ruller eller presse kan anvendes til formålet.

Beklædning af cylindre både inde og ude sker ved eksplosiv svejsning; En anvendelse af dette er den indvendige beklædning af stålsmider med rustfrit stål til dyser med en diameter på 12 mm til 600 mm og op til 900 mm for tilslutning til tungvoksede trykbeholdere.

Metaller, som er uforenelige med fusionssvejsning, svejses ved anvendelse af overgangssvejsninger fremstillet ved eksplosiv svejsning som vist i figur 13.32.

Overgangsledninger skåret af tyk eksplosiv svejset plade af aluminium og stål eller aluminium og kobber giver effektive ledere af elektricitet. Denne teknik anvendes også til fremstilling af anoder til primært aluminiumstål i rør i diameter fra 50 til 300 mm. Andre metaller, der er forbundet med denne teknik, indbefatter titan til stål, zirconium til rustfrit stål, zirkonium til nikkelbasislegeringer og kobber til aluminium.

Eksplosiv svejsning finder også en applikation i fremstillingen af ​​varmevekslere, hvor rør-til-rørpladeforbindelser kan fremstilles ved denne proces. En lille eksplosiv ladning bruges til at gøre leddet som sået i tre trin i figur 13.33. Rør kan svejses individuelt eller i grupper, og antallet af rør svejses ad gangen afhænger af den eksplosive mængde, der kan eksploderes sikkert i enkelt detonering.

Fig. 13.34 viser skematikken over den samlede opsætning til eksplosionssvejsning af propper til tætning af de lækende rør gennem fjernbetjening.

Rør svejset i rør-til-rørplade ledd er normalt med en diameter mellem 12 og 40 mm. Metaller svejset til sådanne led omfatter stål, kobberlegeringer, rustfrit stål, nikkellegeringer, klædte stål og både aluminium og titanium til stål.

Eksplosiv svejsning kan bruges til reparation og opbygning, især både indenfor og uden for cylindriske komponenter.