Eksplosiv Sveising: Programmer og Varianter

Etter å ha lest denne artikkelen vil du lære om: - 1. Generell beskrivelse av eksplosiv sveising 2. Prinsipp for drift av eksplosiv sveising 3. Metoder for drift 4. Prosessvariabler 5. Sveisede fellesegenskaper 6. Varianter 7. Programmer.

Generell beskrivelse av eksplosiv sveising:

Tilkobling av store komponenter av vanskelige sveisemetaller sveises ved eksplosiv sveising. Sterke metallurgiske ledd kan produseres mellom deler av samme metall eller forskjellige metaller, for eksempel kan stål sveises til tantal, selv om smeltepunktet for tantal er høyere enn fordamperpunktet av stål.

I mange av de kritiske komponentene som brukes i rom- og kjernefysiske applikasjoner, brukes eksplosiv sveising til å produsere dem som de ikke kan fremstilles av en annen prosess, og det viser seg ganske ofte å være den minst kostbare prosessen i noen av de kommersielle applikasjonene. Imidlertid er mest eksplosive sveising gjort på seksjoner med relativt store overflatearealer, men i enkelte applikasjoner fremstilles også små komponenter ved denne prosessen.

Prinsipp for drift av eksplosiv sveising:

Grensesnittet mellom de påvirkende komponentene avhenger av hvilken hastighet de treffer mot hverandre. Et flatt grensesnitt dannes hvis kollisjonshastigheten er under kritisk verdi for en bestemt kombinasjon av materialer som sveises. Slike sveiser betraktes ikke som gode fordi liten variasjon i kollisjonsforholdene kan resultere i mangel på liming og dermed en uakseptabel sveising.

Sveiser laget med kollisjonshastigheter over kritisk verdi har et bølget grensesnitt som vist i figur 13.24 med bølgens amplitude varierende mellom 0, 1 og 4, 0 mm og bølgelengde fra 0, 25 til 5, 0 mm, avhengig av sveisevilkårene. Sveiser med et slikt grensesnitt har bedre mekaniske egenskaper enn de med flatt grensesnitt.

I slike sveiser blir det også observert et fenomen kjent som overflatestråling, slik at en liten metallstråle dannes av metallene av de to påvirkende komponentene, som vist i figur 13.25. En slik stråle er fritt utvist ved kanten av skjøten, men hvis den er fanget, resulterer det i krusningsvirkning.

Ved eksplosiv sveiseoppsett vist i figur 13.26 blir slaghastigheten platehastighet Vp, og den må være høy nok til at støtetrykket skal overstige avkastningsspenningen av materialet med en betydelig margin. Kollisjonspunktshastigheten, V cp dvs. den hastighet som kollisjonspunktet beveger seg langs overflaten blir forbundet med, må også være mindre enn lydens hastighet i de to materialene.

Forholdet mellom de forskjellige hastigheter er vist i vektordiagrammet i figur 13.27 hvor Vis slaghastigheten, V j, jethastighet, V b basisplatehastigheten, og a er innfallsvinkelen som blir faktisk avstandsvinkel g som vist i figur 13.28.

De eksplosive sveisene er laget av en av de to oppsettene vist i figur 13.29. Sveisene er best laget med parallell konfigurasjon av komponenter der bare en plate er akselerert. I et slikt oppsett må detonasjonshastigheten til sprengstoffet være mindre enn lydens hastighet i materialet som skal sammenføyes for å tilfredsstille betingelsen om at kollisjonspunkthastigheten, V cp, må være subsonisk. Det er imidlertid vanskelig å oppfylle denne tilstanden med de fleste sprengstoffene, slik det fremgår av tabell 13.2.

Sprengstoffets detonasjonshastighet må være mindre enn ca. 120% av sonisk hastighet, Vs av materialet som sveises.

hvor, k = adiabatisk masse, dyn / cm2,

p = materialtetthet, gms / cm3

E = Youngs modul, og

σ = Poisson-forholdet.

Hvis eksplosivets soniske hastighet er større enn 120% av lydhastigheten til materialet med høyere lydhastighet, utvikler en støtbølge. Dette resulterer i en ekstremt bratt oppgang til maksimalt trykk. (Maksimaltrykket ved grensesnittet er lik sprengstoffets detonasjonstrykk).

I et slikt tilfelle opplever materialet like foran støtbølgen ikke noe trykk, mens materialet like bak sjokkbølgen komprimeres til topptrykk og tetthet. Støtbølgen beveger seg gjennom materialet med en supersonisk hastighet og skaper betydelig plastisk deformasjon lokalt og resulterer i betydelig herding kjent som støtdemping.

Den andre typen detonasjon er når detonasjonshastigheten er mellom ca. 100% og 120% av lydhastigheten til materialet som sveises. Dette resulterer i en frittliggende sjokkbølge som beveger seg litt foran detonasjonen.

Når detonasjonshastigheten er mindre enn metallets lydhastighet, beveges trykket som genereres av de ekspanderende gasser, og som overføres til metallet, raskere enn detonasjonen. Selv om det ikke produseres støtbølge, men det stigende trykket når toppverdien.

I tilfeller 2 og 3, det vil si frittliggende sjokkbølge og ingen sjokkbølgefall, genereres trykk foran kollisjonspunktet til metallplattene. Hvis et tilstrekkelig stort trykk genereres, vil det føre til at metallet like før kollisjonspunktet strømmer som en stråle inn i mellomrommet mellom platene. Denne høyhastighetsstrålen trekker ut materialet som fjerner uønskede oksider og andre uønskede overflatefilmer. På kollisjonspunktet påvirker de nylig rengjorte metalloverflatene ved høyt trykk, typisk mellom 0, 5 og 6 GPa.

Også en betydelig mengde varme genereres ved detonasjon av eksplosivet. Men da detonasjon er ferdig innen noen få hundre mikrosekunder, så går en liten del av det inn i metallet. Således utføres ingen bulkdiffusjon og en sveis med bare lokalisert smelting blir produsert.

Det er derfor bedre å bruke vinkeloppsett hvor kollisjonspunktets hastighet er en funksjon av tallerkenhastigheten og den innledende standevinkel mens den bare er indirekte avhengig av detonasjonshastigheten V D, slik det fremgår av det følgende forhold.

Platehastigheten Vp er relatert til platenes masse og eksplosivet samt impulsen (per massenhet) av sprengstoffet. Å vite disse parametrene V p kan således beregnes.

I vinkeloppsettet er bølgelengden til ripplene direkte relatert til kollisjonspunkthastigheten; mens formen på krusningene avhenger av platehastigheten. Kryssede bølger produseres oftest med høy platehastighet. For eksempel, ved sveising av aluminium med fast avstandsvinkel, øker platens hastighet fra 260 m / sek til 410 m / sek en endring fra en sinusformet bølgeformasjon til en høyt vippet sågtand-type bølge. Også økning av avstandsvinkelen fra 0, 75 ° til 4, 5 ° økte bølgelengden fra 110 til 150 pm.

Ripples tonehøyde varierer også med stillingsvinkelen. Ingen sving i bølger ble rapportert for sveiser i stål med vinkler mellom 1 ° og 15 °, men tonehøyde og amplitude økte med vinkelen. For en avstandsvinkel mellom 15 ° og 20 ° ble grensesnittet helt flatt, over 20 ° ingen sveising ble produsert.

Påvirkningsforholdene for parallellplateoppsett er relatert av følgende ligning:

hvor V cp er slag- eller kollisionspunktshastigheten som er lik detonasjonshastigheten (V D ) av eksplosivet, kalles y den dynamiske bøyningsvinkelen. Det er vinkelen skapt mellom flyger og målplater ved slagpunktet, mens Vp er platekollisjonshastigheten ved slagpunktet.

Vanligvis varierer detonasjonshastigheten mellom 1200 og 3800 m / sek avhengig av metallet som skal sveises. Stand-off-avstanden, som er en uavhengig variabel som V D, er valgt for å oppnå en bestemt dynamisk bøyningsvinkel og slaghastighet.

Den dynamiske bøyningsvinkelen er en avhengig variabel som styres av detonasjonshastigheten (V D ) og avstandsavstanden. Typiske verdier for y er mellom 2 og 25 grader. Dette resulterer i en platekollisjonshastighet ved slagpunktet ( Vp ) på ca. 200 til 500 m / sek.

Et viktig aspekt ved eksplosiv sveising er strømningsmønsteret i kollisjonspunktet. Under forhold med subsonisk strømning blir metallet rapportert å oppføre seg som en ikke-viskøs komprimerbar væske. På grunn av stråledannelse blir oksidfilmer og absorberte gasser helt fjernet fra sveisen. Når imidlertid strålen blir ustabil, kan gassene og oksydfilmene bli innfanget; dette ser ut til å forekomme med Reynold nummer over 50. Når strålen er innfanget, kan det enten resultere i kontinuerlig smeltet metalllag på ½ - 250 pm tykkelse eller i dannelsen av et ripplet grensesnitt som ofte har lokaliserte smeltede soner på forsiden av kammen.

Driftsmetoder for eksplosiv sveising:

Fra figur 13.29, som viser eksplosive sveisetilpasninger, er det tydelig at det er fire grunnleggende komponenter i denne prosessen:

1. Målplate,

2. Flyerplate,

3. Bufferplate, og

4. Eksplosiv og en detonator.

Målplaten forblir stasjonær og støttes ofte på en ambolt av stor masse. Når sprengstoffet er detonert, skyver det flyerplaten mot målplaten. For å beskytte flyerplaten mot overflatebeskadigelse på grunn av impresjon, samt å kontrollere kollisjonshastigheten, er et tynt lag av gummi eller PVC eller sponplate plassert mellom det og eksplosive for å fungere som buffer eller demper.

Sprengstoffet kan være i arkform, men vanligvis er det i granulær form og spredes jevnt over bufferplaten. Kraften som utøves av flyerplaten på grunn av eksplosjon avhenger av detonasjonsegenskapene og mengden av eksplosivet. Sveising er fullført i mikrosekunder med svært liten total deformasjon, hvis noen. Generelt utføres sveiseoperasjonen i luft, men det kan til og med brukes et grovt vakuum på ca. 1 torr, dvs. 1 mm kvikksølv eller 133 322 x 10-6 N / mm 2 .

For eksplosiv sveising er det nødvendig å gi subsonisk hastighet (V p ) til flyerplaten. Dette må gjøres med et eksplosiv materiale som ofte har en forholdsvis konstant detonasjonshastighet på ca. 6000 m / sek. Vekten av eksplosivmaterialet som kreves for en bestemt sveisejobb bestemmes av prøving og feiling, og det ser ut til å være en lineær sammenheng mellom forholdet (eksplosivvekt / vekt av flyerplaten) og flyerplattens hastighet, V p . Et forhold på 0, 5 gir en platehastighet på 900 m / sek for Du Pont-arkplosiv EL 506 D med et tynt lag av gummi som buffer. For vellykket eksplosiv sveising er det nødvendig at hastighetene til de to platene må være like, og det krever at hellingsvinkelen mellom dem skal være liten som vist i figur 13.30. Ved lave vinkler blir slaghastigheten som kreves for å produsere bølger ved grensesnittet større.

Når eksplosiv sveising utføres ved det normale atmosfæriske trykket, gir gassen mellom platene en puteffekt som ikke bare krever høyere minimumshastighet, men kan også føre til inkonsekvente resultater. For sveising av aluminium i vakuum på ca. 1 mm Hg, bør kollisjonshastigheten være ca. 150 til 300 m / sek med en inngående vinkel på 1 ° til 2 °. For å akselerere platene som sveises til denne hastigheten, bør avstandsavstanden være lik 1/4 til 1/2 ganger platetykkelsen som angitt i figur 13.30.

Stand-off avstanden holdes ved bruk av et shim. Det er mange typer shims som er designet for å bli konsumert av strålen, slik at de ikke påvirker sveisene negativt.

Hvis den effektive vinkelen som oppnås av flyerplaten er for liten, vil hastigheten være svært supersonisk og ingen bølger vil bli dannet ved grensesnittet. Ideelt sett skal detonasjonshastigheten til eksplosjonen være subsonisk. Det er imidlertid sjelden mulig i praksis da detonasjonshastigheter overstiger 5500 m / sek, mens lydhastigheten i stål som er blant de høyeste blant metaller, er bare 5200 m / sek, som vist i tabell 13.3.

Ingen spesiell overflate rengjøringsbehandling er nødvendig for eksplosiv sveising; Men fett, hvis tilstede, i overflaten må fjernes. Smuss eller oksid hvis det foreligger i overskudd, vil bli samlet i nærheten av krusene i krusninger og kan føre til redusert styrke av leddet.

Trykket som svarer til en platehastighet på 120 m / sek på kobber er 2400 N / mm 2 og for en hastighet på 220 m / sek på aluminium er det 6200 N / mm 2 . Disse trykket er tilstrekkelig til å tvinge metall gjennom sprekker i oksidfilmen og å sveise det. Det er også rapportert at selv når overflatene av 18/8 rustfritt stål og mildt stål var dekket med adherent lag av svart oksid, ble de sveiset tilfredsstillende med det ønskede ripplede grensesnittet.

Problem 1:

Ved å bruke et vektforhold på (eksplosjonsvikt / flyveplattens vekt = .3), kommer flygelens platehastighet til 540 m / sek. Finn flyerplaten til målplaten medfølgende vinkel (a) slik at kollisjonspunkthastigheten (V cp ) holdes subsonisk (<5000 m / sek) for sveising av stålplater ved bruk av Du Pont-arkplosiv med en detonasjonshastighet på 7100 m / s .

Løsning:

Problem 2:

Velg et egnet sprengstoff fra de tre som er gitt i tabellen under for eksplosjonssveising av aluminiumplater med 2 ° inkludert vinkel, hvis flyerplatens hastighet skal være 900 m / sek. Lydens lyd i aluminium er 5500 m / sek.

Prosessvariabler i eksplosiv sveising :

De største prosessvariablene i eksplosiv sveising er:

(i) Effekthastighet,

(ii) Stille avstand, og

(iii) Angle angrep.

(i) Effekthastighet:

Påvirkningshastigheten avhenger av forholdet mellom eksplosivets vekt og vekten av flygerplaten og også på kontaktvinkelen. For hvert materiale er det en minimumshastighet under hvilken sveising ikke finner sted, for eksempel kan kobber ikke sveises med hastigheter under 120 m / sek og aluminium ved hastigheter under 255 m / sek.

Den maksimale hastigheten som kan benyttes for eksplosiv sveising, bestemmes av lydens hastighet i målplaten materialet, fordi ved bølgelengdehastigheten kan bølgen i målet ikke forplante seg foran bindingsfronten. Også hastigheten nær kanten av arbeidsstykket reduseres og resulterer i avlastning av trykk i slike soner; Dette kan føre til utilfredsstillende sveising nær arbeidskantene når nær-minimum hastighet er benyttet.

Minimumshastigheten for et hvilket som helst materiale bestemmes av størrelsen ved hvilken prosjektilmaterialet blir tilstrekkelig plastisk på støt for å danne en delt stråle. Ulike eksplosiver resulterer i forskjellige hastigheter, og derfor må det tas hensyn til når du velger eksplosiv.

To viktige egenskaper av eksplosiver for sveising er detonasjonshastighet og farefølsomhet. Sistnevnte påvirker håndteringssikkerheten som den refererer til termisk stabilitet, holdbarhet og støtfølsomhet for eksplosivmaterialet.

Mens detonasjonshastigheten er proporsjonal med eksplosivets tetthet, er det dannede trykk proporsjonalt med både tettheten og detonasjonshastigheten. Detonasjonshastigheten til et eksplosivt materiale avhenger av dens tykkelse, pakningstettheten og det passive materialet blandet med eksplosivet for å redusere detonasjonshastigheten.

Noen av sprengstoffene som er populært ansatt for å gi den ønskede detonasjonshastigheten, inkluderer:

(i) Ammoniumnitrat-TNT-atomisert aluminiumblanding,

(ii) Ammoniumnitratpaller med 6 til 12% diesel,

(iii) Nitroguanidinne pluss inert materiale,

(iv) Amatol og såkol med 30 til 55% bergsalt.

(ii) Stand-off Avstand :

Økning av avstandsavstanden øker tilnærmingsvinkelen mellom flyerplaten og målplaten. Dette resulterer i økt størrelse på bølgen som når et maksimum og senker deretter ettersom standbyavstanden økes ytterligere. I en parallell oppsett brukes en avstandsavstand på mellom ½ og 2 ganger tykkelsen på flyerplaten normalt; Den mindre avstandsavstanden brukes med et eksplosiv materiale med høy detonasjonshastighet.

(iii) Angle angrep :

For vellykket eksplosiv sveising må rammevinkelen eller tilnærmingen vanligvis være mellom 5 ° og 25 °. Med parallell oppsett kan denne vinkelen bare utvikles hvis det er en skikkelig avstandsavstand. Ved sveising av rørplaten, oppnås en passende vinkel ved å tappe hullet i rørplaten som vist i figur 13.31.

Sveise Felles egenskaper for eksplosiv sveising :

Felles egenskaper til en eksplosiv sveise påvirkes avhengig av om grensesnittet dannes av fanget stråle som resulterer i krusning eller fri stråle som resulterer i total utvisning av et tynt grensesjikt. Den fangede stråleteknikken er foretrukket da det resulterer i utvidet grensesnitt i omfanget på nesten 75% i lengde.

Det er rapportert at smeltede nuggets er funnet innebygd foran og i noen tilfeller like bak toppen av grensesnittbølgeformasjonen. I disse sonene ser det ut til å være betydelig blanding av forskjellige metaller som fører til frittliggende partikler av ett metall i den andre, eller til fremstilling av faste løsninger eller intermetalliske forbindelser. Fri jetting kan gi en kontinuerlig støpt grensesnittsone som i kobber. Fri jetting er i stand til å forårsake fullstendig utvisning av grensesnittet metalliske sonen.

På aluminium kan en 10 ° avstandsvinkel resultere i nesten usynlig solid state-grensesnitt, hvor alle spor kan fjernes ved glødning, mens en parallell avstand gir et krøllet grensesnitt med et mørkt grensesjikt som forblir upåvirket av glødning.

Grensesnitthardheten i sveisene i kobber økte fra 65 til 150 VHN, mens mildt stål til kobbersveis resulterte i mer herding i kobberet da stålet mens kobber herdet fra 60 til 160 VHN, stålet herdet fra 120 til 160 VHN. Rustfritt stål nådde en hardhetsverdi på 400 VHN muligens på grunn av dannelsen av martensitt, mens kobber som det ble sveiset økt i hardhet fra 60 til 150 VHN.

Det er tydelig at ikke-likevektsfaser kan produseres under eksplosiv sveising, og at høye belastningshastigheter resulterer i svært høye diffusjonshastigheter; også at fasene som produseres er følsomme for den eksakte driftsmetoden og de anvendte prosessvariablene.

Varianter av eksplosiv sveising:

Eksplosiv punktsveising er kanskje den eneste varianten av prosessen. I denne prosessen brukes en liten eksplosiv ladning for å bli tilkoblet vanskelige sveisemetaller,

En robust og kompakt håndholdt eksplosiv punktsveter med en vekt på ca 5 kg kan brukes til å produsere sveiser opp til 10 mm i diameter. Elektrisk strøm er ansatt for å tennes ladningen, og enheten er utstyrt med flere sikkerhetsbryter. PTN (pentaerythritetranitrat) eksplosive kapsler av forskjellige vekter er tilgjengelige for bruk med standardhetten.

Vanligvis eksplosiv er i direkte kontakt med arbeidsstykket som skal sveises. Imidlertid kan plastbufferplater forsynes for å beskytte arbeidsflaten når det er nødvendig. Stand-off avstand kan varieres om nødvendig, men normal praksis er å kontrollere eksplosiv kraft ved å bruke så liten en eksplosiv ladning som mulig.

De fleste ingeniørmetaller kan bli plett sveiset av eksplosiv sveising, men prosessen har blitt rapportert å være spesielt vellykket for sveising av austenitisk rustfritt stål til koboltbaserte legeringer for bruk i høytemperaturapplikasjoner og også for tilslutning av nikkelbasert legering som Inconel og nikkel. Aluminiumlegeringer kan også bli punktsvetset lett, forutsatt at de rengjøres av det tøffe oksidlaget i maksimalt 4 timer før sveising.

Eksplosiv punktsveising kan vise seg å være uunnværlig for romanvendelser, for eksempel nødreparasjoner til romfartøy eller til og med for montering av enheter i rommet.

Bruk av eksplosiv sveising:

Eksplosiv sveising er en spesialisert prosess som brukes til lapskjøter i vanskelige sveisemetaller og deres kombinasjoner. Aluminium og kobber kan sveises til rustfritt stål, aluminium til nikkel legeringer, og rustfritt stål til nikkel. Aluminium kan sveises til kobber og rustfritt stål til messing. Bindingen av aluminium til stål er komplisert ved dannelsen av FeAl 2- lag ved grensesnittet.

Imidlertid kan dette løses ved å legge inn et mellomlag av et metall som er kompatibelt med begge disse metallene, eller ved å velge parametrene for å redusere omfanget av diffusjon som oppstår over grensesnittet. Styrken på sveisene avhenger av strukturen ved grensesnittet, men en sveise som ikke har et sprø grensesnitt gir vanligvis 100 prosent effektivitet i skjær eller spenning.

Generelt kan metaller med forlengelse på minst 5% i 50 mm gauge lengde og kraftig V-hakkestøtstyrke på 13, 5 joules eller mer sveises ved eksplosiv sveising. Normalt øker styrken og hardheten, og duktiliteten reduseres som følge av eksplosiv sveising. Dette skyldes alvorlig plastisk deformasjon som oppstår spesielt i flyerplaten. Eksplosiv sveising kan også øke den duktile til sprø overgangstemperaturen av karbonstål.

Kledning av plater er en av de store kommersielle bruksområder av eksplosiv sveising. Kleddeplater leveres i sveiset tilstand, fordi den økte grensesnitthardheten ikke påvirker platerens konstruksjonsegenskaper. Liten forvrengning av plater kan finne sted under kledning som må utbedres for å oppfylle standard flatness spesifikasjonene. Ruller eller trykk kan brukes til formålet.

Bekledning av sylindere både i og utenfor gjøres ved eksplosiv sveising; En applikasjon av dette er den indre bekledning av stålsmusser med rustfritt stål for å lage dyser, 12 mm til 600 mm diameter og opptil 900 mm lengde, for tilkobling til tungvoksede trykkbeholdere.

Metaller som er inkompatible for fusjonssveising, sveises ved bruk av overgangssveiser laget av eksplosiv sveising som vist i figur 13.32.

Overgangsledd skåret av tykk eksplosiv sveiset tallerken av aluminium og stål eller aluminium og kobber gir effektive ledere av elektrisitet. Denne teknikken brukes også til fremstilling av anoder for primæraluminiumstål i rør i diameter fra 50 til 300 mm. Andre metaller forbundet med denne teknikken inkluderer titan til stål, zirkonium til rustfritt stål, zirkonium til nikkelbasislegeringer og kobber til aluminium.

Eksplosiv sveising finner også en applikasjon i fremstillingen av varmevekslere hvor rør-til-rørplate-leddene kan fremstilles ved denne prosessen. En liten eksplosiv ladning brukes til å gjøre leddet som sådd i tre trinn i figur 13.33. Rør kan sveises enkeltvis eller i grupper, og antallet rør som er sveiset av gangen, avhenger av mengden eksplosiv som kan eksploderes trygt i enkelt detonasjon.

Fig. 13.34 viser skjematisk av den generelle oppsettet for eksplosjonssveising av plugger for tetting av de lekkende rørene, gjennom fjernkontrollen.

Rør sveiset i rør-til-rørplate leddene har vanligvis en diameter mellom 12 og 40 mm. Metaller sveiset for slike leddene inkluderer stål, kobberlegeringer, rustfritt stål, nikkellegeringer, kledestål, og både aluminium og titan til stål.

Eksplosiv sveising kan brukes til reparasjon og oppbygging, spesielt både i og utenfor sylindriske komponenter.