Сварка взрывом (Свз) является новым перспективным технологическим процессом соединения материалов в твердой фазе, получающим в последние годы все боле широкое применение в отечественной и зарубежной практике благодаря существенным преимуществам в сравнении с традиционными методами.
В создание и развитие этого способа соединения трудносвариваемых материалов и конструкций большой вклад внесли ученые Института гидродинамики РАН, Волгоградского и Пензенского гостехуниверситетов, ЦНИИЧермет и других организаций. Основополагающие исследования были проведены А.А. Дерибасом, В.С. Седых, Э.С. Отрощенко и их учениками.
При Свз образование соединения происходит в процессе соударения двух свариваемых деталей (пластин) под воздействием ударной волны. При этом ударная волна очищает поверхность и деформирует прилегающие к зоне соединения приповерхностные объемы материала.
Физические явления, сопутствующие сварке взрывом, зависят от величины основных параметров высокоскоростного соударения. К ним относятся:
1) кинематические параметры: скорость метаемой пластины V0, угол соударения γ, скорость точки контакта Vк;
2) физические параметры: давление, длительность соударения, температура и т.п.
Для получения соединения при сварке взрывом необходимо выполнение двух условий:
-давление при соударении должно достичь определенной величины;
-скорость перемещения точки соударения должна быть меньше скорости звука.
Давление при соударении зависит от скорости движения пластины, а равновесная скорость движения пластины от соотношения с/m, где с — масса заряда, m — ускоряемая масса.
Скорость перемещения точки соударения не должна превышать скорости звука в металле по следующим причинам. Когда две пластины первоначально параллельны, и детонация распространяется с одного конца, скорость перемещения точки соударения равна скорости детонации заряда. Скорость ударной волны приближается к скорости звука в материале пластины (например, в алюминии — 5240 м/с, в меди — 3580 м/с). Если скорость детонации больше скорости звука, то отраженная звуковая волна может разрушить только что созданное сварное соединение. Поэтому подбирают такое взрывчатое вещество (ВВ) (аммониты, гранулиты, зерногранулиты), чтобы скорость детонации была от 2500 до 3600 м/с, тогда отраженная звуковая волна ударяется о свариваемую плоскость раньше, чем давление взрыва ударом соединит верхнюю пластину с нижней.
Большинство технологических схем сварки взрывом основано на использовании направленного (кумулятивного) взрыва. Кумулятивность осуществляется тем, что свариваемые детали располагаются под некоторым углом α = 2–16° с начальным расстоянием друг от друга в вершине угла h = 2–3 мм.
Следует учесть, что воздушная кумулятивная струя во всех случаях движется с большей скоростью, чем звуковая и детонационная. Эта струя, направленная из острия угла α в сторону его раствора, обладает давлением порядка 10¹¹ Па (от нескольких сот до миллиона атмосфер). Благодаря такому огромному давлению и весьма большой скорости (6000–7000 м/с) высокотемпературная кумулятивная струя производит прежде всего идеальную очистку поверхности пластин от любого вида загрязнений.
Несмотря на большое давление воздушной кумулятивной струи и последующий за ней сильнейший удар детонационной волны взрыва, зона пластических деформаций в сварном контакте относительно невелика. Она лишь немного превышает толщину фронта ударной волны, составляющей приблизительно 30–300 параметров кристаллической решетки. Исходная толщина свариваемых деталей почти не изменяется и после сварки. Весь процесс сваривания протекает за миллионные доли секунды.
В микромасштабе кристаллитов металл нагревается не только до плавления, но и почти до температуры кипения ~ 2500° К. Поэтому взрывно-сварные соединения характеризуются наличием нетравящихся белых прослоек по плоскости контакта, объяснить которые обезуглероживанием невозможно хотя бы потому, что они получаются не только на сталях. Такого же рода белые прослойки получаются и в результате искрового удара.
В результате этих процессов происходит значительное упрочнение металла. Например, известно, что взрывным ударом твердость отожженной малоуглеродистой стали можно увеличить в 4 раза, а предел текучести — в 6 раз. Качество взрывно-сварных соединений будет высоким, если правильно подобрать режимы сварки (сорт ВВ, его толщина, взаимное расположение деталей) для каждого сочетания металлов. Сварные соединения выдерживают в дальнейшем любую механическую и термическую обработку.