close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследование кинетики послойного соударения металлических пластин при сварке взрывом

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Арестов Евгений Сергеевич Шифр научной специальности: 05.02.10 - сварка, родственные процессы и технологии Шифр диссертационного совета: Д 212.028.02 Название организации: Волгоградский государственный технический университет Адрес о
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертационного исследования.
Сварка взрывом (СВ) в большом числе случаев является эффективным, а иногда и единственным возможным способом получения высококачественных композиционных материалов и узлов различного технического назначения. Постоянно возрастающие потребности промышленности в многослойных композитах с различным
сочетанием материалов слоев обуславливают необходимость увеличения объемов работ по технологическому проектированию последних.1
Для получения качественного соединения на каждой межслойной границе многослойного композита необходимо точно дозировать энерговложения, зависящие, в
первую очередь, от кинематических параметров процесса, и в частности, от скорости
соударения слоев Vci. Значение последней при этом должно находиться в некотором
интервале величин, определяемым свойствами свариваемых металлов.
Сложность и многофакторность процесса соударения элементов многослойных
пакетов металлических пластин не позволяет описать данный процесс некоторой
универсальной зависимостью, поэтому для оценки параметров соударения был разработан ряд расчетных и экспериментальных методик, представляющих собой многоэтапный процесс определения кинематических параметров на каждой границе многослойного композита. Эту задачу решали ряд исследователей: Беляев В. И., Дерибас
А. А., Кобелев А. Г., Кузьмин Г. Е., Кузьмин С. В., Лысак В. И., Мали В. И., Пай В. В.,
Седых В. С., Соннов А. П., Трыков Ю.П., Шморгун В. Г., Akbari Mousavi A. A, Alipour
R., Meyers М. А., Moorr L. Е., San Feng, Sui GuoFa, Shao P. H., Zhang Dengxia. Однако
предложенные ими методики и модели обладают рядом допущений, не отражающих
реальной картины процесса и приводящих в итоге к неточной оценке параметров соударения на границах многослойного композита.
Актуальность выбранной темы диссертационного исследования подтверждается выполнением ее в рамках грантов РФФИ 09-01-97014-р, РФФИ 11-08-00244-а.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является построение достоверной математической модели процесса высокоскоростного последовательного соударения при сварке взрывом на основе изучения кинетики разгона и соударения пакетов провзаимодействовавших в полете пластин на второй и последующих межслойных границах.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены и
решены следующие задачи:
1. Экспериментально исследована кинетика соударения элементов в многослойном пакете металлических пластин при СВ по одновременной схеме.
*
Автор выражает глубокую благодарность Заслуженному работнику высшей школы, доктору технических
наук, профессору В. П. Багмутову за неоценимую помощь в разработке математической модели, проведении ее
анализа и советы по материалам диссертации, доктору технических наук, профессору С. В. Кузьмину за участие
в формировании направления работы и неоценимую помощь в анализе результатов исследования.
3
2. Проведена оценка длительности начальной (переходной) стадии контактного
взаимодействия соударяющихся тел, в течение которой происходит передача импульса от ударяющего тела ударяемому.
3. Создана адекватная математическая модель высокоскоростного соударения
металлических пластин при одновременной сварке взрывом многослойных композитов.
4. Установлены количественные взаимосвязи и выявлены основные коррелирующие и аппроксимирующие зависимости между коэффициентами расчетной модели и исходными условиями взрывного нагружения системы кососоударяющихся металлических тел.
5. Результаты исследования положены в основу разработки и совершенствования технологических процессов сварки взрывом многослойных композиционных материалов.
Научная новизна состоит в выявлении основных закономерностей кинетики
послойного соударения металлических пластин при сварке взрывом многослойных
пакетов по одновременной схеме.
Установлено, что продолжительность начальной стадии разгона τн системы
пластин на второй и последующих границах многослойного композита, в течение которой происходит передача импульса от ударяющего тела (системы сваренных в полете пластин) ударяемой пластине, существенно зависит от единичной массы взаимодействующих тел и фазы разгона метаемого элемента и лежит в диапазоне от 1 до 13
мкс.
Предложена новая математическая модель взаимодействия элементов в многослойном пакете металлических пластин при сварке взрывом, базирующаяся на гипотезе постепенного вовлечения в движение массы ударяемой пластины и позволяющая
достоверно рассчитать интенсивность разгона пакета в пределах начальной стадии, а
также ее длительность τн.
Путем обобщения большого количества экспериментальных данных определены настроечные коэффициенты модели (k, n, χ, ν), влияющие на характер разгона сваренного в полете пакета пластин. Показано, что первая пара коэффициентов характеризует интенсивность нарастания присоединенной массы к ударяющей пластине, а
коэффициент χ определяет интенсивность спада контактного давления на рассматриваемой границе соударения, существенным образом влияя на расчетную длительность начальной стадии разгона τн.
Методы исследования. Исследование процессов скоростного соударения в
многослойном пакете при сварке взрывом осуществлялось с использованием реостатной методики, разработанной в Институте гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО
РАН (г. Новосибирск).
В работе использовался измерительно-регистрационный комплекс, оснащенный современной высокоточной электронной аппаратурой: осциллографами Fluke
124, GDS-820C, Tektronix DPO2000, электронно-счетными частотомерами ЧЗ-63 и
4
стабилизированными источниками питания. Изучение микроструктур проводили с
помощью микроскопа «Axiovert» 40 MAT. Расчет параметров соударения
свариваемых элементов и математическая обработка полученных результатов
осуществлялись с помощью общепринятых математических моделей и
специализированных пакетов прикладных программ.
Практическая значимость. Полученные результаты позволили разработать
алгоритм расчета параметров соударения на каждой из границ многослойного композита и научно-обосновано подойти к разработке и усовершенствованию технологических процессов изготовления переходных элементов из композита АМг5+Al+Ст.3 для
сварки алюминиевых палубных надстроек со стальным корпусом судна и многослойных заготовок ВТ1-0 + АД1 + АМг корпусов приборов антенно-фидерных устройств
для РКК «Энергия» им. С. П. Королева.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на 6ти международных конференциях (2007, 2010 – г. Волгоград; 2008 – г. Лиссе, Нидерланды; 2009, 2010 – г. Екатеринбург; 2011 – г. Москва;), всероссийских конференциях
(2008 – г. Москва; 2009 – г. Новосибирск), региональных конференциях молодых исследователей (2007, 2008, 2009, 2010 – г. Волгоград), а также на ежегодных научнотехнических конференциях и научных семинарах ВолгГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том
числе 4 статьи в российских периодических рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 6 статей в сборниках трудов международных научно-технических конференций, 9 тезисов докладов на всероссийских и региональной конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, общих выводов, списка литературных источников и приложения, содержит 130
страницы машинописного текста, 60 рисунков, 9 таблиц. Список использованной литературы включает 113 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационного исследования, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, перечислены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены схемы и параметры процесса сварки взрывом, а
также существующие представления о кинетике процесса соударения металлических
пластин.
Широкий круг практических задач современного машиностроения может быть
успешно решен лишь с применением многослойных композиционных материалов.
Подобные материалы, например, оказываются незаменимыми, когда основные слои
5
композита выполнены из металлов, образующих при взаимодействии между собой
хрупкие интерметаллические соединения, что требует обязательного введения между
ними разделительных прослоек из третьих металлов, препятствующих нежелательным диффузионным процессам на границах соединений при повышенных температурах. Многослойные композиты применяются также для улучшения пластических
свойств материала, придания ему специальных физических характеристик.
Известны следующие способы получения многослойных композитов сваркой
взрывом:
1) последовательной наваркой каждого слоя отдельным зарядом взрывчатого
вещества;
2) одновременной сваркой взрывом всего пакета за один подрыв;
3) комбинацией первых двух способов.
Наиболее технологичным, а в ряде случаев и единственно возможным способом получения многослойных композиционных материалов является сварка взрывом
по одновременной схеме плакирования.
Исходя из существующих представлений о критических границах сварки двух
отдельных пластин, расчет режимов сварки взрывом многослойных композиционных
материалов сводится к определению послойных скоростей соударения Vci, обычно
снижающихся по мере вовлечения в соударение новых слоев. При расчете параметров
режима сварки взрывом необходимо создание условий, при которых скорость соударения на каждой границе не должна быть ниже некоторого минимально допустимого
с точки зрения обеспечения прочного соединения уровня и не выше некоторого предельного значения, приводящего к интенсивному оплавлению, и, как следствие, появлению дефектов на границах слоев.
Российскими и зарубежными исследователями (Беляев В. И., Дерибас А. А.,
Кобелев А. Г., Кузьмин Г. Е., Кузьмин С. В., Лысак В. И., Мали В. И., Пай В. В., Седых
В. С., Соннов А. П., Трыков Ю.П., Шморгун В.Г., Akbari Mousavi A. A, Alipour R., Meyers М. А., Moorr L. Е., San Feng, Sui GuoFa, Shao P. H., Zhang Dengxia) предложен ряд
методик определения послойных скоростей соударения (Vci), основанных на различных предпосылках и гипотезах.
Большинство из этих методик позволяют достоверно рассчитать значения скорости соударения пластин в условиях полного разгона метаемого элемента, но не
учитывают действие продуктов детонации на свариваемую систему в период времени
взаимодействия пластин при соударении и не производят оценку кинематических параметров на начальном участке разгона пакета соударившихся пластин, что, в конечном итоге, приводит к неточной оценке параметров соударения на границах многослойных композиционных материалов.
Таким образом, кинетика соударения пластин в многослойных пакетах при
сварке взрывом в настоящий момент времени является недостаточно изученной и
требует дальнейшего уточнения с целью максимального приближения результатов
моделирования соударения многослойных пакетов пластин к реальным процессам,
6
hi
h2
h1
Н
происходящим при сварке взрывом, что и определило основную направленность работы в рамках сформулированных цели и задач.
Вторая глава посвящена расчетным и экспериментальным методикам определения кинематических параметров соударения при сварке взрывом многослойных
композиций.
Исходя из современных потребностей в многослойных композитах обоснован
выбор материалов, используемых в настоящем исследовании, а также взрывчатой
смеси (аммонит 6ЖВ+кварцевый песок), позволяющей варьировать кинематические
параметры процесса СВ в широких пределах.
Экспериментальное исследование процесса разгона ударяющей пластины и пакета соударившихся в полете пластин проводилось с помощью реостатной методики,
разработанной в Институте гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН (г. Новосибирск).
С целью достоверного определения послойных скоростей соударения в рамках
настоящего исследования разработан метод расчета параметров высокоскоростного
соударения при сварке многослой4
ных пакетов. Суть и исходные
D
ПД
представления метода заключаются
в следующем.
γ Vк = D
Процесс разгона сваренного
1
пакета происходит в две стадии:
2
Vc1
- начальная стадия – интенVci–1
сивный набор скорости за малый
3
промежуток времени до значения
Vci
рассчитанного из закона сохранеVci+1
ния импульса, в течение которого
Рис. 1. Схема соударения пластин при
одновременной сварке взрывом:
происходит передача импульса от
1 – метаемая пластина; 2 – промежуточные пластиударяющей платины ударяемой
ны; 3 – неподвижная пластина; 4 – заряд ВВ;
D – скорость детонации ВВ; Vк – скорость точки (рис. 1);
контакта; ПД – продукты детонации; H – высота
- конечная стадия – плавный
заряда ВВ; hi – установочные зазоры; Vсi – послой- разгон пакета за счет остаточного
ные скорости соударения
давления продуктов детонации ВВ
до скорости, определяемой параметрами заряда ВВ, фазой разгона и установочным зазором на рассматриваемой границе.
Для расчетного определения скорости соударения Vci на начальной стадии разгона пакета пластин и ее продолжительности τн разработана методика, основанная на
постепенном вовлечении в процесс соударения массы ударяемой пластины.
Скорость соударения пакета из i сваренных ранее в полете пластин и ударяемой
(i+1) пластины определяется импульсом сил ударяющей системы Ii(0) (в част7
ности, частью исходного импульса Ii+1(), приводящего в движение i+1-ю пластину) и степенью вовлечения во взаимодействие массы i+1-й
1
в любой момент времени :
V i 1 ()
I i 1 ,
M
0
(1)
где M M,i1 Mi mi1 ; i 1 – функция, определяющая степень вовлечения массы
ударяемой пластины в перемещение, Mi – масса
ударяющего пакета, mi+1 – масса ударяемой пластины.
Степень вовлечения во взаимодействие
массы i+1-й пластины β имеет вид (рис. 2, а):
1 (1 k ) n ,
(2)
где – приведенное время фазы разгона
0
, [ 0;1] .
к 0
0
к а)
m
Mi+1
Mi
M = Mi+mi+1
0
б)
V
Vi()
Vi(к) =
Vi+1(к)
Vi ()
Vi+1()
0
в)
p
p0
Значения 0 и 1 соответствуют временам начала ( = 0) и конца ( = к) фазы разгона пакета i и i+1-й пластины.
Текущей скорости Vi+1() соответствует
импульс сил
I i 1 p d ,
(3)
p()
0
г)
I
Ii(0)
Ii(0) – Ii+1()
Ii+1()
0
0
где функция р() = рi() представляет собой контактное давление, необходимое для преодоления
сопротивления материала i+1-й пластины при
передаче движения от активной к ее пассивной
поверхности, изменяющееся по зависимости:
pi p0i 1 (4)
При этом скорость в момент подлета (0)
системы i пластин к ударяемой определяется как
Vi 0 I i 0 ,
Mi
(5)
а i+1-й пластины
Vi 1 0 0 .
В конце взаимодействия (к)
8
(6)
д)
pвн, Iвн
pвн() Iвн()
0
0
к е)
Рис. 2. Характер изменения функции (а), массы m (б), активной и
пассивной скоростей пластин (в),
контактного давления (г), импульса (д) и внешнего давления и
удельного импульса (е) за интервал времени 0 – к:
- - - - - – с учетом действия импульса внешних сил в интервале [0, к]
V i 1 к V i к Ii 0 M i 1
(7)
где Мi+1 = Mi + mi+1.
Т.е. тыльная сторона i+1 пластины наращивает скорость от Vi+1(0) = 0 до скорости всего пакета из i+1 пластин Vi+1(к) = Vi(к), а пакет из i пластин замедляется от
скорости Vi(0) до Vi(к).
Таким образом, по вышеперечисленным зависимостям можно рассчитать скорость пакета соударившихся пластин в процессе сварки в каждый момент времени, в
пределах начального этапа разгона и продолжительность последнего.
В третьей главе представлены результаты расчетно-экспериментального исследования кинетики соударения металлических пластин в многослойном пакете при
сварке взрывом по одновременной схеме.
В опытах по получению кривых разV,
гона (с использованием реостатной методи- м/сc
1
Vi
ки) на первой и второй межслойных границах варьировались следующие исходные
Vi+1(τк)=Vi(τ0) M
условия сварки: толщины свариваемых маM m
териалов (стали и алюминия), их сочетания Vi+1
Vi(τ0)
Vi+1(τ0)=0
и фаза разгона, характеризуемая соотношеVi+1
2
нием h1/H. Для каждого режима сварки были определены длительности начальной
τк
τ, мкс
τ0
τн
стадии разгона τн (рис. 3).
Установлено, что τн системы пластин
Рис. 3 Определение длительности начальной
стадии разгона двухслойного
на второй границе пакета τн = τк – τ0 сущепакета сваренных в полете стальных
ственным образом зависит от суммарной
пластин толщиной 2+4 мм на второй
толщины свариваемых пластин δ∑ = δ1 + δ2
межслойной границе
1
–
кривая
разгона метаемой пластины
и соотношения h1/H (рис.4).
При сварке пластин из Ст.3 + Ст.3 в толщиной 2мм, 2 – кривая разгона пакета провзаимодейтвовавших пластин
зависимости от фазы разгона (h1/H) метаемой пластины при изменении δ∑ в диапазоне от 3 до 7 мм продолжительность начальной стадии разгона пакета τн увеличивается от ~1,5 до ~10 мкс. При дальнейшем увеличении δ∑ рост τн замедляется, приближаясь к ~13 мкс (рис. 4, а). Для сочетания
алюминий+алюминий (рис. 4, б) продолжительность начальной стадии изменяется в
диапазоне от ~1 до ~4 мкс по линейному закону. В случае соударения разнородных
металлов алюминий+Ст.3 (рис. 4, в) при изменении δ∑ от 4 до 10 мм τн возрастает от
~3,5 до ~8 мкс.
Таким образом, с увеличением массы соударяющихся пластин и h1/H длительность начальной стадии возрастает.
Основываясь на методике (1)…(7) расчета кинематических параметров соударения многослойных композиций и результатах экспериментов, была разработана
1
1
2
9
τн ,
мкс
10
5
10
8
δΣ, мм
6
4
0,2
0,4
0,6
0,8
1
h1/H
V i ( 0 )(
V i 1 а)
τ н,
мкс
3
2
1
8
6,66
δΣ, мм
5,33
4
0,2
0,4
0,6
0,8
1
h1/H
б)
τн,
мкс
8
6
4
8
6,66
δΣ, мм
5,33
4
0,2
математическая модель расчета скорости
разгона тыльной поверхности соударяемого
пакета сваренных в полете пластин и определения длительности начальной стадии разгона с учетом влияния на систему пластин
остаточного давления продуктов детонации.
Основными расчетными формулами
являются:
0,4
0,6
0,8
1
h1/H
в)
Рис. 4. Влияние основных параметров сварки взрывом на длительность
начального этапа разгона системы
сваренных в полете пластин
а) Ст.3+Ст.3, б) алюминий +алюминий,
в) алюминий +Ст.3
1
p0i
j
j
(1 p вн ( ) d 0
) d )
0
1
m
1 i 1 (1 (1 k ) n ) (1 ) d Mi
0
н к 0 M iV i 0 1
p0i 1 d
,
, (8)
(9)
0
где Mi – удельная (отнесенная к единице
площади) масса провзаимодействовавших
пластин; mi – удельная масса ударяемой пластины; τ0 – момент соударения ударяющей и
0
ударяемой пластин; – приведенк 0
ное время начальной стадии разгона; τк –
продолжительность начальной стадии разгона; p01 – максимальное контактное давление;
рвн – внешнее давление продуктов детонации
на поверхность метаемой пластины; Vi(τ0) –
скорость пластины в момент времени τ0,
j 0;1 – фиксированные относительные
времена; j = 1,..., N, N – количество опытных
значений скорости соударения на i+1 границе (Vi эксп
).
1, j
В модель (1)…(9) входят четыре настроечных коэффициента k, n, χ и ν (k, n, χ, ν
= {аq}; q = 1, 2, 3, 4), характеризующие
влияние основных параметров сварки взрывом на характер разгона пакета пластин. При
этом k и п определяют величину ускорения пакета в пределах начальной стадии, а χ и
ν характеризуют скорость спада контактного давления на текущей границе соударения, а, следовательно, влияют на τн.
10
k
2
1,5
1
4
δΣ, мм
6
8
0
0,5
1
h1/H
а) n
11
10
9
8
7
1
8
6
0,5
δΣ, мм
4
0
h1/H
б) χ
1,8
1,6
1,4
1,2
8
1
6
δΣ, мм
4
0,5
0
в)
h1/H
Рис. 5. Зависимости коэффициентов
{aq} от фазы разгона и суммарной толщины свариваемых элементов для сочетаний пластин алюминий+алюминий
а) коэффициент k, б) коэффициент n,
в) коэффициент χ
Для выше представленных сочетаний
металлов, по методике, основанной на итерационной процедуре поиска поправок к аq,
минимизирующих степень отклонения расчетных значений (8), (9) от соответствующих экспериментальных, определены настроечные коэффициенты {аq}, что позволило выявить зависимости {аq} от параметров сварки взрывом: фазы разгона h1/H и
суммарной толщины сваренных в полете
пластин δ∑ (рис. 4).
Далее, для упрощения анализа,
сложного вида функции aq=aq(δ∑, h1/H) заменялись уравнениями плоскости (рис. 5)
вида:
(10)
aq = Аx+By+C,
где x = h1/H, y = δΣ.
Конкретный вид зависимостей представлен в табл. 1.
На рис. 6 для функций k, n и χ показаны тенденции изменения коэффициентов
A, B, C от механических характеристик
свариваемых материалов σ0,2/σв.
Полученные зависимости позволяют,
в первом приближении, определить значения настроечных коэффициентов (в данном
диапазоне изменения σ0,2/σв) рассматриваемых комбинаций свариваемых материалов.
Для упрощения процедуры определения отношения σ0,2/σв композиции материалов алюминий+сталь использовали соотношение (11).
ii i1i1 ,
(11)
где
υi, υi+1 – объемные доли свариваемых
метаемой и промежуточной пластин, σi,
σi+1 – предел прочности (текучести) соответственно метаемой и промежуточной
пластин.
11
Таблица 1
Аппроксимирующие функции для коэффициентов aq
Коэффициенты
Ст.3+Ст.3
8,5
Алюминий+алюминий
h1
0,28 2,4 ,
H
при
4 ; 7 ;
k
h1
H
26 ,3 3, 68
Алюминий+ Ст.3
h1
0,025 2,3
H
0,175
,
2,1
h1
0,125 2
H
при (7;11]
1,8
n
χ
h1
0,072 10
H
h1
0,15 9,83
H
h
1,6 1 0,5 0,6
H
h1
0 , 4 H
2
ν
≈1
Ak, Bk, Ck
1
2
An, Bn, Cn
3
10
1
2
3
Aχ, Bχ, Cχ
10
Ck
5
Сn
0
3
Bn
1
-1
Ak
0,5
2
2
Bk
-10
1
Aχ
1
0
-5
h1
0,56 10 ,3
H
h
2 , 2 1 0 ,8 0 ,1
H
0, 25
Bχ
Аn
Cχ
0,7 σ0.2/σв
0,6
-2
0
0,5
0,7 σ0.2/σв
0,6
0,5
0,7 σ0.2/σв
0,6
а)
б)
в)
Рис. 6. Тенденции изменений коэффициентов (A, В, С) аппроксимирующих функций
{aq} от механических свойств свариваемых элементов
1 – (σ0.2/σв) для стали Ст.3; 2 – (σ0.2/σв) для алюминий + Ст.3; 3 – (σ0.2/σв) для алюминия;
а) коэффициент к, б) коэффициент n, в) коэффициент χ
Таблица 2
Значения коэффициентов q и r
A
B
k
n
χ
k
n
χ
k
C
n
g
-42,5
12,4
2
1,53
2,3
-0,5
0,5
0,8
-3
r
20,8
-4,6
0,6
-0,75
-1,2
0,75
-0,25
10,1
2,1
χ
Для более наглядного представления зависимости {aq} запишем в общем виде (12):
h h
a q , 1 , 02 ( g aq z raq ) 1 ( g aq z raq ) ( g aq z raq ) , H в H
где z = σ0,2/σв, g и r представлены в таблице 2.
12
(12)
Vc,
м/c
400
эксперимент
расчет по аппроксимирующим
функциям
доверительный интервал
1
300
2
200
3
100
0
0
2
τк- τ0
6
4
8
10
12
τ, мкc
τк- τ0
τк- τ0
Рис. 7. Сопоставление кривых разгона пакетов металлических пластин на второй
межслойной границе (кривая разгона метаемой пластины не показана), полученных
на основе экспериментальных данных и функций aq:
D = 2500м/с, Н = 25 мм, h1 = 3 мм; для пакетов стальных пластин толщиной: 2 + 2 мм (1),
2 + 4 мм (2), 2 + 9 мм (3)
Результаты сопоставления расчетных кривых Vci на основе (8), (9) и соотношений {aq} с экспериментальными данными приведены на рис. 7. Наибольшие по модулю отклонения на всей совокупности опытных данных по Vi+1 не превышали 15%.
Таким образом, полученные результаты позволяют на основе предложенной
математической модели достоверно рассчитывать кинематические параметры СВ.
Четвертая глава посвящена практической реализации результатов исследования. В ней описан алгоритм расчета параметров сварки взрывом многослойных композиций (рис.8), суть которого заключается в последовательном расчете скоростей
соударения пластин от слоя к слою. Для этого задаются тип материала, толщина и количество слоев, технологическая схема сварки. Затем, исходя из требуемой для образования соединения энергии пластической деформации для каждой границы, строятся
кривые разгона и определяются величины технологического зазора между слоями.
13
1
Ввод исходных условий: количество n,
материал и толщина δ слоев
База ВВ и их
параметров
Экспертный выбор эффективного воздействия
Выбор технологической схемы сварки взрывом
многослойных композиций
3
Определение граничных условий сварки
Расчет параметров соударения на 1-ой границе
соударения
Расчет параметров соударения на 2-ой границе
соударения
Расчет параметров соударения на n-ой границе
соударения
Анализ качества соединения слоев
нет
Достигнуто
качество
2
База данных физикомеханических
свойств металлов
4
5
6
7
8
да
Выход
Рис. 8. Укрупненная функциональная схема расчета параметров сварки взрывом
многослойных композитов
5
1
5
АМг5
Al
Ст.3
Al
Ст.3
Ст.3
13
АМг5
11
10
АМг5
Рис. 9. Принципиальная схема сварки взрывом пятислойного композиционного
материала толщиной 34 мм
14
С использованием предложенного алгоритма разработан технологический процесс
изготовления партии пятислойных композиционных листов из
алюминиевого сплава АМг5,
алюминия АД1 и стали Ст.3.
x100
x100
АМг5+Аl
АМг5+АМг5
Они служат в качестве переходных элементов при сварке
палубных надстроек с корпусом
судна. Сварка взрывом осуществлялась в два этапа (рис. 9).
На первом этапе сваривалась
x100
x100
Al+Ст.3
Ст.3+Ст.3
композиция АМг5+Al+Ст.3 с
толщинами слоев соответстРис. 10. Макроструктуры зон соединения пятивенно 5 + 1 + 5 мм. Далее, послойного композита АМг5+(АМг5+Al+Ст.3)+Ст.3
лученная композиция использовалась в качестве промежуточного слоя между пластиной
АМг5 толщиной 10 мм и Ст.3
толщиной 13 мм. Разработанный технологический процесс
позволил обеспечить высокое
качество соединения (рис. 10) с
х100
х100
Ti+Al
прочностью на отрыв слоев в
диапазоне 90...120 МПа, что соответствует прочности алюминия.
Для РКК «Энергия» им.
х100
х100
С. П. Королева (г. Королев,
Al+АМг6
а)
б)
Московской области) усоверРис. 11. Структура зоны соединения
шенствована технология изгоВТ+Al+АМг6
а) исходные режимы сварки, б) оптимизировантовления
композиционных
ные режимы сварки
трехслойных (ВТ1-0 + АД1 +
АМг6) плит габаритными размерами 500300 мм с толщинами титанового слоя и основы из АМг6 5 и 30 мм соответственно. Количество дефектов на границе соединения было снижено (рис. 11), а
средняя прочность композита на отрыв слоев повысилась с 85 до 110 МПа.
15
ВЫВОДЫ
1. Экспериментально установлено, что длительность начальной стадии разгона
многослойного пакета плоских металлических тел зависит от удельной массы свариваемого пакета и фазы разгона ударяющей пластины. В обоих случаях с увеличением
как массы, так и фазы разгона, длительность начальной стадии увеличивается. При
сварке пластин из Ст.3 она изменяется от ~ 1,5 до ~ 13 мкс, из алюминия – от ~1 до ~4
мкс, из алюминия со сталью – от ~3,5 до ~8 мкс.
2. Разработана новая математическая модель взаимодействия пластин в многослойном пакете при их сварке взрывом в течение переходного процесса, позволяющая
производить расчет скорости разгона тыльной поверхности соударяемого пакета и
определять длительность начальной стадии разгона с учетом влияния на систему остаточного давления продуктов детонации, основанная на гипотезе постепенного вовлечения в движение пакета (или ударяющей пластины) массы ударяемой пластины.
3. Показано, что настроечные коэффициенты математической модели к, n характеризуют интенсивность нарастания присоединяемой массы к ударяющей пластине (пакету пластин), а коэффициенты χ и ν влияют на длительность начальной стадии
разгона и определяют интенсивность спада контактного давления на текущей границе
соударения
4. Выявлены количественные взаимосвязи между настроечными коэффициентами модели и начальными условиями сварки взрывом (суммарной толщиной свариваемых пластин и фазой разгона), на основании которых были сформированы удобные для расчета аппроксимирующие функции настроечных коэффициентов, дающие
возможность предварительного расчета кривых разгона провзаимодействовавших металлических пластин и определения установочных параметров сварки взрывом многослойных композиций и обеспечивающие удовлетворительное соответствие экспериментальных и расчетных данных
5. Полученные результаты позволили разработать принципиально новый алгоритм расчета параметров соударения и установочных параметров при проектировании технологического процесса сварки взрывом многослойной композиции, основанный на последовательном расчете параметров на каждой из межслойных границ.
6. Результаты исследования легли в основу разработки технологического процесса изготовления сваркой взрывом многослойных плоских металлических композиций, внедрение которых позволило достигнуть при изготовлении для судостроения
переходных элементов из АМг5 + Al + Ст.3 для сварки алюминиевых палубных надстроек со стальным корпусом судна и изготовлении для РКК «Энергия» им. С. П. Королева многослойных заготовок ВТ1-0 + АД1 + АМг6 корпусов приборов антеннофидерных устройств экономический эффект в размере 2,447 млн. руб. Доля автора в
экономическом эффекте составила 30%.
16
Основные положения диссертационного исследования опубликованы в
работах:
Журнальные статьи из списка ВАК:
1. Расчётно-экспериментальное определение длительности начальной стадии разгона металлических пластин при сварке взрывом многослойных пакетов / С.В.
Кузьмин, В.П. Багмутов, В.И. Лысак, Е.С. Арестов // Физика и химия обработки материалов. - 2009. - № 5. - C. 59-64.
2. Расчётно-экспериментальное исследование зависимостей параметров математической модели разгона пакета пластин от исходных условий сварки взрывом /
Е.С. Арестов, В.П. Багмутов, С.В. Кузьмин, В.И. Лысак // Изв. ВолгГТУ. Серия
"Сварка взрывом и свойства сварных соединений". Вып. 4: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - № 5. - C. 12-17.
3. Арестов Е.С Параметры математической модели высокоскоростного соударения металлических пластин при сварке взрывом / Е.С. Арестов, В.П. Багмутов,
С.В. Кузьмин, В.И. Лысак, А.В. Севостьянова // Физика и химия обработки материалов. - 2011. - № 5. - C. 18-25.
4. Математическая модель послойного разгона пластин в многослойном пакете, ускоряемых продуктами детонации ВВ / В.Д. Рогозин, С.В. Кузьмин, В.И. Лысак, Е.С. Арестов // Изв. ВолгГТУ. Серия "Сварка взрывом и свойства сварных соединений". Вып. 4 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - № 5. - C. 28-33.
Остальные публикации:
5. Арестов, Е.С. Исследование структуры соединения при сварке взрывом
крупногабаритных биметаллических заготовок / Е.С. Арестов // Научный потенциал
студенчества - будущему России: матер. Всерос. науч. студ. конф., г. Ставрополь, 1920 апреля 2006 г. / Сев.-Кавказ. гос. техн. ун-т и др. - Ставрополь, 2006. - C. 70.
6. Арестов, Е.С. Исследование величины энергии, затрачиваемой на пластическую деформацию, при косом соударении металлических тел / Е.С. Арестов,
В.И. Лысак // XI Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской
области, г.Волгоград, 8-10 ноября 2006 г.: тез. докл. / ВолгГТУ и др. - Волгоград,
2007. - C. 154-155.
7. Методика экспериментального исследования вертикального перемещения длинномерных металлических пластин перед точкой контакта в процессе сварки
взрывом / Т.Ш. Сильченко, С.В. Кузьмин, В.И. Лысак, Ю.Г. Долгий, Е.С. Арестов //
Новые перспективные материалы и технологии их получения. НПМ-2007: сб. науч.
тр. междунар. конф., Волгоград, 9-12 окт. 2007 г. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2007.
- C. 204-207.
8. Кузьмин, С.В. Explosive welding of multilayer packages: duration of initial
acceleration / С.В. Кузьмин, В.И. Лысак, Е.С. Арестов // Shock-Assisted Materials Synthesis and Processing: Science, Innovations, and Industrial Implementation: [по матер. IX
17
междунар. симпозиума EPNM-2008, проходившего 6-9 мая 2008 года в г. Lisse (Нидерланды)].- М., 2008.- С. 20.- Англ.
9. Арестов, Е.С. Расчётное определение кинематических параметров при
сварке взрывом многослойных композитов / Е.С. Арестов, В.И. Лысак, С.В. Кузьмин
// XII региональная конференция молодых исследователей Волгогр. обл., г. Волгоград, 13-16 нояб. 2007 г.: тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2008. - C. 161-162.
10. Арестов, Е.С. Экспериментальное исследование особенностей процесса
соударения пластин при одновременной сварке взрывом многослойных композитов /
Е.С. Арестов, С.В. Кузьмин, В.И. Лысак // Новые материалы и технологии (НМТ2008) : матер. всерос. науч.-техн. конф., Москва, 11-12 нояб. 2008 г. В 3 т. Т. 1 / "МАТИ" - Рос. гос. технол. ун-т им. К.Э. Циолковского. - М., 2008. - C. 27-28.
11. Арестов, Е.С. Исследование кинетики процесса соударения пластин при
сварке взрывом многослойных композиций / Е.С. Арестов, А.С. Христофоров, С.В.
Кузьмин // Наука. Технологии. Инновации : матер. всерос. науч. студенч. конф. молодых учёных (Новосибирск, 4-5 дек. 2009 г.). В 7 ч. Ч. 2 / ГОУ ВПО "Новосибир. гос.
техн. ун-т". - Новосибирск, 2009. - C. 157-159.
12. Исследование особенностей процесса соударения пластин при сварке
взрывом многослойных композитов / Е.С. Арестов, С.В. Кузьмин, В.П. Багмутов, В.И.
Лысак // Деформация и разрушение материалов и наноматериалов. DFMN`2009 : сб.
матер. третьей междунар. конф., г. Москва, 12-15 окт. 2009 г. В 2 т. Т. 1 / Ин-т металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова [и др.]. - М., 2009. - C. 264.
13. Арестов, Е.С. Расчётное определение кинематических параметров при
сварке взрывом многослойных композитов / Е.С. Арестов, В.И. Лысак, С.В. Кузьмин
// XIII региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области,
г.Волгоград, 11-14 нояб. 2008 г.: тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2009. - C.
158-159.
14. Исследование закономерностей изменения параметров математической
модели высокоскоростного соударения пакета пластин от исходных условий сварки
взрывом / Е.С. Арестов, В.П. Багмутов, С.В. Кузьмин, В.И. Лысак // Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ-2010) : сб. науч. тр. V междунар. конф., Волгоград, 14-16 сент. 2010 г. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2010. - C.
106-107.
15. Арестов, Е.С. Исследование кинематических параметров при сварке
взрывом многослойных композиций / Е.С. Арестов, С.В. Кузьмин, В.И. Лысак // Специальные методы сварки для модернизации в машиностроении : сб. докл. науч.-техн.
конф. в рамках VII междунар. спец. выставки "Металлообработка. Сварка. Урал 2010"
(28 апр. 2010) / Администрация г. Екатеринбурга, УФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, Уральский ин-т сварки. - Екатеринбург, 2010. - C. 5-9.
16. Арестов, Е.С. Экспериментальное исследование временных параметров
соударения при сварке взрывом многослойных пакетов / Е.С. Арестов, В.И. Лысак,
С.В. Кузьмин // XIV региональная конференция молодых исследователей Волгоград18
ской области (Волгоград, 10-13 нояб. 2009 г.) : тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2010. - C. 135-137.
17. Шевчук, Д.С. Анализ влияние параметров {aq} на выходные данные математической модели высокоскоростного соударения плоских тел / Д.С. Шевчук, Е.С.
Арестов // Тезисы докладов смотра-конкурса научных, конструкторских и технологических работ студентов ВолгГТУ, Волгоград, 10-13 мая 2011 г. / ВолгГТУ, Совет
СНТО. - Волгоград, 2011. - C. 61-62.
18. Зависимость параметров математической модели высокоскоростного соударения пакета пластин от условий сварки взрывом / Е.С. Арестов, В.И. Лысак, С.В.
Кузьмин, В.П. Багмутов // XV региональная конференция молодых исследователей
Волгоградской области (Волгоград, 9-12 ноября 2010 г.) : тез. докл. / ВолгГТУ [и др.].
- Волгоград, 2011. - C. 123-124.
19. Арестов Е.С. Расчетно-экспериментальное определение параметров математической модели соударения плоских тел при их взрывном нагружении / Е.С.
Арестов, С.В., Д.С. Шевчук, Кузьмин, В.И. Лысак // Сборник материалов IV международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»
(DFMN – 2011), Москва 25-28 октября 2011 г. – С. 864-865.
Личный вклад автора в опубликованные работы. В представленных работах автором экспериментально апробирована методика исследования кинематических
параметров высокоскоростного соударения [5…7, 10, 11, 12], проанализированы результаты расчетно-экспериметального исследования кинетики процесса соударения
пластин в многослойном пакете [1, 2, 8, 10, 13, 14] и длительности начальной стадии
разгона [9, 15, 16], предложены расчетные зависимости определения кинематических
параметров соударения на начальной стадии разгона [3, 4, 17…19].
19
Подписано в печать ____________ Заказ _____ Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0
Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.
Типография ИУНЛ
Волгоградского государственного технического университета
400005, Волгоград, ул. Советская, 35
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
26
Размер файла
2 016 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа