Explosiv Svetsning: Tillämpningar och Varianter

Efter att ha läst den här artikeln kommer du att lära dig om: - 1. Allmänt Beskrivning av Explosiv Svetsning 2. Princip för Drift av Explosiv Svetsning 3. Metoder för drift 4. Processvariabler 5. Svetsfogar Egenskaper 6. Varianter 7. Applikationer.

Allmän Beskrivning av Explosiv Svetsning:

Sammanslagning av stora delar av svåra svetsmetaller svetsas av explosiv svetsning. Starka metallurgiska fogar kan produceras mellan delar av samma metall eller olika metaller, till exempel kan stål svetsas till tantal, trots att smältpunkten för tantal är högre än stålförångningspunkten.

I många av de kritiska komponenterna som används i rymd- och kärntekniska tillämpningar används explosiv svetsning för att tillverka dem, eftersom de inte kan tillverkas av en annan process, och det visar sig ofta vara den billigaste processen i några av de kommersiella applikationerna. Emellertid görs mest explosiva svetsningar på sektioner med relativt stora ytor, men i vissa applikationer tillverkas även små komponenter av denna process.

Princip för drift av explosiv svetsning:

Gränssnittet mellan de påverkande komponenterna beror på den hastighet som de slår mot varandra. Ett platt gränssnitt bildas om kollisionshastigheten ligger under det kritiska värdet för en viss kombination av material som svetsas. Sådana svetsar anses inte som goda eftersom liten variation i kollisionsförhållandena kan resultera i brist på bindning och därmed en oacceptabel svetsning.

Svetsar gjorda med kollisionshastigheter över det kritiska värdet har ett vågigt gränssnitt såsom visas i fig 13.24 med vågornas amplitud varierande mellan 0, 1 och 4, 0 mm och våglängden från 0, 25 till 5, 0 mm beroende på svetsförhållandena. Svetsar med ett sådant gränssnitt har bättre mekaniska egenskaper än de med platt gränssnitt.

I sådana svetsar observeras också ett fenomen som kallas ytstrålning så att en liten metallstråle bildas av metallerna från de två påverkande komponenterna, såsom visas i figur 13.25. En sådan stråle är fritt utskjuten vid kanten av fogen, men om den är instängd resulterar den i krusningseffekt.

Vid explosionssvetsning som visas i figur 13.26 blir slaghastigheten plåthastighet Vp och den måste vara tillräckligt hög för att slagtrycket överstiger materialets avkastningsspänning med en avsevärd marginal. Kollisionspunktshastigheten, V cp dvs den hastighet vid vilken kollisionspunkten rör sig längs ytan som förenas, måste också vara mindre än ljudhastigheten i de två materialen.

Förhållandet mellan de olika hastigheterna visas i vektordiagrammet i fig 13.27 där Vis slaghastigheten, Vj, jethastighet, Vb basplattahastigheten och a är incidensvinkeln som blir faktisk avstängningsvinkel g som visas i figur 13.28.

De explosiva svetsarna är gjorda av någon av de två inställningarna som visas i figur 13.29. Svetsarna är bäst gjorda med parallell konfiguration av komponenter där endast en platta accelereras. Vid en sådan inställning måste explosionsspjällets detonationshastighet vara mindre än ljudets hastighet i material som skall sammanfogas för att tillfredsställa villkoret att kollisionspunktshastigheten, Vcp, måste vara subsonisk. Det är emellertid svårt att uppfylla detta tillstånd med de flesta sprängämnena, vilket framgår av tabell 13.2.

Sprängämnets detonationshastighet måste vara mindre än ca 120% av ljudhastigheten, Vs hos materialet som svetsas.

var, k = adiabatisk bulk, dyn / cm2,

p = materialdensitet, gms / cm3

E = Youngs modul, och

σ = Poisson-förhållandet.

Om explosionsens soniska hastighet är större än 120% av materialets ljudhastighet med högre ljudhastighet, utvecklas en chockvåg. Detta resulterar i en extremt brant ökning till maximalt tryck. (Maxtrycket vid gränssnittet är lika med sprängämnets detonationstryck).

I sådant fall upplever materialet precis framför chockvågen inget tryck, medan materialet strax bakom chockvågen komprimeras till topptryck och densitet. Chockvågen färdas genom materialet med en supersonisk hastighet och skapar betydande plastisk deformation lokalt och resulterar i avsevärd härdning som kallas chockhärdning.

Den andra typen av detonation är när detonationshastigheten ligger mellan ca 100% och 120% av ljudhastigheten hos materialet som svetsas. Detta resulterar i en fristående chockvåg som reser något före detonationen.

När detonationshastigheten är mindre än metallets ljudhastighet, rör sig trycket som alstras av de expanderande gaserna och som överförs till metallen, snabbare än detonationen. Även om ingen chockvåg produceras men det stigande trycket når sitt toppvärde.

I fall 2 och 3, dvs fristående chockvåg och inga chockvågsfall, genereras tryck före metallplattornas kollisionspunkt. Om ett tillräckligt stort tryck bildas kommer det att orsaka att metallen precis före kollisionspunkten strömmar som en stråle in i utrymmet mellan plattorna. Denna höghastighetsstråle slår ut materialet som avlägsnar de oönskade oxiderna och andra oönskade ytfilmer. Vid kollisionspunkten påverkar de nyligen rengjorda metallytorna vid högt tryck, vanligtvis mellan 0, 5 och 6 GPa.

Dessutom genereras en betydande mängd värme vid detonering av sprängämnet. Men eftersom detonation är färdig inom några hundra mikrosekunder, så går en mycket liten del av det i metallen. Sålunda sker ingen bulkdiffusion och en svetsning med endast lokaliserad smältning produceras.

Det är därför bättre att använda vinkeluppsättning, där kollisionspunktens hastighet är en funktion av platthastigheten och initialvinkeln medan den endast indirekt är beroende av detonationshastigheten V D, vilket framgår av följande förhållande.

Plattans hastighet Vp är relaterad till plattans massa och explosionssprutet samt impulsen (per enhetsmassa) av sprängämnet. Att veta dessa parametrar Vp kan således beräknas.

I vinkelinställningen är våglängden hos krusningarna direkt relaterad till kollisionspunktshastigheten; medan formen på krusningarna beror på platthastigheten. Crested vågor produceras oftast med hög platthastighet. Exempelvis resulterar svetsning av aluminium med fast avstängningsvinkel, vilket ökar platthastigheten från 260 m / s till 410 m / sek i en förändring från en sinusformig vågformation till en mycket vinklad sågtand-vågtyp. Också ökningen av stillvinkeln från 0, 75 till 4, 5 ° ökade våglängden från 110 till 150 pm.

Ripples tonhöjd varierar också med stillvinkeln. Ingen variation i vågor rapporterades för svetsar i stål med vinklar mellan 1 och 15 °, men tonhöjden och amplituden ökade med vinkeln. För en avstängningsvinkel mellan 15 ° och 20 ° blev gränssnittet helt plattt, över 20 ° ingen svetsproduktion.

Påverkningsförhållandena för parallellplattauppsättning är relaterade av följande ekvation:

där V cp är slag- eller kollisionspunktshastigheten som är lika med sprängämnets detonationshastighet (V D ), kallas y den dynamiska böjningsvinkeln. Det är den vinkel som skapas mellan flygbladet och målplattorna vid slagpunkten, medan Vp är kollisionshastigheten vid slagpunkten.

Typiskt varierar detonationshastigheten mellan 1200 och 3800 m / sek beroende på den metall som ska svetsas. Stand-off-avståndet, som är en oberoende variabel som V D, väljs för att uppnå en specifik dynamisk böjvinkel och slaghastighet.

Den dynamiska böjningsvinkeln är en beroende variabel som styrs av detonationshastigheten (V D ) och avstängningsavståndet. Typiska värden för y är mellan 2 och 25 grader. Detta resulterar i en platta kollisionshastighet vid slagpunkten ( Vp ) på ca 200 till 500 m / s.

En viktig aspekt av explosiv svetsning är flödesmönstret i kollisionspunktens område. Under betingelser av subsoniskt flöde rapporteras metallen att verka som en icke-viskös komprimerbar vätska. På grund av strålbildningen avlägsnas oxidfilmer och absorberade gaser helt från svetsen. När emellertid strålen blir instabil kan gaserna och oxidfilmerna fånga detta verkar inträffa med Reynold nummer över 50. När strålen är inneslutet kan det antingen resultera i ett kontinuerligt smält metallskikt med en tjocklek på 1/2 till 250 pm eller i bildandet av ett krusigt gränssnitt som ofta har lokaliserade smältzoner på framsidan av kammen.

Metoder för användning av explosiv svetsning:

Från figur 13.29, som visar explosiva svetsuppsättningar, är det uppenbart att det finns fyra grundläggande komponenter i denna process:

1. Målplatta,

2. Flyerplatta,

3. Buffertplatta och

4. Explosiv och en detonator.

Målplattan förblir stationär och stöds ofta på ett mothåll med en stor massa. När sprängämnet detoneras trycker det flygerplattan mot målplattan. För att skydda flygerplattan från ytskador på grund av impaction samt att kontrollera kollisionshastigheten, placeras ett tunt lager av gummi eller PVC eller till och med spånskiva mellan det och sprängämnet för att fungera som buffert eller dämpare.

Sprängämnet kan vara i arkform, men vanligtvis är den i granulär form och sprids enhetligt över buffertplattan. Den kraft som utövas av flygerplattan på grund av explosion beror på detonationsegenskaperna och explosionsvolymen. Svetsning fullbordas i mikrosekunder med mycket liten övergripande deformation, om någon. I allmänhet utförs svetsoperationen i luft men ibland kan ett grovt vakuum på ca 1 torr, dvs 1 mm kvicksilver eller 133 322 x 10 -6 N / mm 2 användas.

För explosiv svetsning är det nödvändigt att ge subsonisk hastighet ( Vp ) till flyerplattan. Detta måste göras med ett sprängämne som ofta har en relativt konstant detonationshastighet på ca 6000 m / s. Vikten av det explosiva materialet som krävs för ett specifikt svetsjobb bestäms av försök och fel, och det förefaller vara ett linjärt förhållande mellan förhållandet (vikten av sprängämnet / vikten av flygerplattan) och flygelplattans hastighet, V p . Ett förhållande av 0, 5 ger en platthastighet av 900 m / sek för Du Pont-plattformig EL 506 D med ett tunt lager av gummi som buffert. För framgångsrik explosiv svetsning krävs att hastigheterna hos de två plattorna är likartade och detta kräver att lutningsvinkeln mellan dem ska vara liten, vilket visas i fig 13.30. Vid låga vinklar blir slaghastigheten som krävs för att producera vågor vid gränssnittet större.

När explosiv svetsning utförs vid det normala atmosfärstrycket, ger gasen mellan plattorna en dämpningseffekt som inte bara kräver högre minsta hastighet utan kan också leda till inkonsekventa resultat. För svetsning av aluminium i vakuum av ca 1 mm Hg bör kollisionshastigheten vara ca 150-300 m / s med en ingående vinkel av 1 ° till 2 °. För att accelerera plåtarna som svetsas till denna hastighet bör avståndet vara lika med 1/4 till 1/2 gånger plåttjockleken som markerad i fig 13.30.

Stand-off-distansen hålls genom användning av en shim. Det finns många typer av shims som är konstruerade för att konsumeras av strålen så att de inte skadar svetsen.

Om den effektiva vinkeln som uppnås av flyerplattan är för liten kommer hastigheten att vara mycket supersonisk och inga vågor kommer att bildas vid gränssnittet. Helst bör explosionsens explosionshastighet vara subsonisk. Det är emellertid sällan möjligt i praktiken eftersom detonationshastigheter överstiger 5500 m / sek medan ljudets ljud i stål som är bland högst bland metaller, är endast 5200 m / s, vilket visas i tabell 13.3.

Ingen speciell ytbehandling krävs för explosiv svetsning. Fett, om det finns, måste emellertid avlägsnas i ytan. Smuts eller oxid om det finns i överskott kommer att ackumuleras nära krönningarna på krusningarna och kan leda till minskad styrka i leden.

Trycket som motsvarar en platthastighet på 120 m / s på koppar är 2400 N / mm 2 och för en hastighet av220 m / s på aluminium är det 6200 N / mm 2 . Dessa tryck är tillräckliga för att tvinga metall genom sprickor i oxidfilmen och svetsa det. Det rapporteras också att även om ytorna på 18/8 rostfritt stål och mjukt stål var täckta med vidhäftande lager av svart oxid svetsades de tillfredsställande med det önskade ripplade gränssnittet.

Problem 1:

Med hjälp av ett viktförhållande (explosionsvikt / flygerplattans vikt = .3) kommer flygelens platthastighet till 540 m / s. Hitta flygerplattan till målplatta medföljande vinkel (a) så att kollisionspunktshastigheten (V cp ) hålls subsonisk (<5000 m / s) för svetsning av stålplattor med Du Pont-plåster med en detonationshastighet på 7100 m / s .

Lösning:

Problem 2:

Välj ett lämpligt sprängämne från de tre som anges i tabellen nedan för explosionssvetsning av aluminiumplattor med ingående vinkel om 2 °, om flygplanshastigheten ska vara 900 m / s. Ljudets hastighet i aluminium är 5500 m / s.

Processvariabler i explosiv svetsning :

De stora processvariablerna i explosiv svetsning är:

(i) Effekthastighet,

(ii) Avstängningsavstånd, och

(iii) Angle of approach.

(i) Effekthastighet:

Påverkningshastigheten beror på förhållandet mellan explosionsviktsvikten och vikten av flygerplattan och även på kontaktvinkeln. För varje material finns en lägsta hastighet under vilken svetsning inte äger rum, till exempel kan koppar inte svetsas med hastigheter under 120 m / sek och aluminium vid hastigheter mindre än 255 m / s.

Den maximala hastighet som användbar kan användas för explosiv svetsning bestäms av ljudets hastighet i målplåtmaterialet, eftersom vid våglängden i vågformen kan vågan i målet inte sprida sig framför bindningsfronten. Dessutom reduceras hastigheten nära kanten av arbetsstycket vilket resulterar i att trycket avlastas i sådana zoner; Detta kan leda till otillfredsställande svetsning nära arbetsytorna när närmast minimihastighet används.

Minimihastigheten för vilket material som helst bestäms av storleken vid vilken projektilmaterialet blir tillräckligt plastiskt på slag för att bilda en uppdelad stråle. Olika sprängämnen resulterar i olika hastigheter och därför måste vederbörlig hänsyn tas till vid val av sprängämne.

Två viktiga egenskaper hos sprängämnen för svetsning är detonationshastighet och riskfel. Den senare påverkar hanteringssäkerheten eftersom den avser termisk stabilitet, lagringstid och chockkänslighet hos sprängämnet.

Medan detonationshastigheten är proportionell mot explosivitetens densitet, är det genererade trycket proportionellt mot både densiteten och detonationshastigheten. Sprängämnets detonationshastighet beror på dess tjocklek, förpackningsdensitet såväl som det passiva materialet blandat med sprängämnet för att minska dess detonationshastighet.

Några av de explosiva ämnen som vanligen används för att ge önskade detonationshastigheter inkluderar:

(i) Ammoniumnitrat-TNT-atomiserad aluminiumblandning,

(ii) Ammoniumnitratpallar med 6 till 12% dieselbränsle,

(iii) Nitroguanidinne plus inert material,

(iv) Amatol och sool med 30 till 55% bergsalt.

(ii) Stand-off Distance :

Att öka avståndet ökar tillvägagångsvinkeln mellan flygplattan och målplattan. Detta resulterar i ökad storlek på vågan som når maximal och sänker sedan, eftersom avståndet för avståndet ökas ytterligare. Vid en parallell uppställning används normalt ett avståndsvärde på mellan 1/2 och 2 gånger tjockleken på flyplattan. det mindre avstängningsavståndet används med ett sprängämne med hög detonationshastighet.

(iii) Åtkomstvinkel :

För framgångsrik explosiv svetsning krävs vanligen att vinkeln mellan slag och tillvägagångssätt är mellan 5 ° och 25 °. Med en parallellinstallation kan denna vinkel utvecklas endast om det finns ett korrekt avståndsvärde. Vid svetsning av rörrörsplåt uppnås en lämplig vinkel genom att tappa hålet i rörplattan enligt fig 13.31.

Svetsa gemensamma egenskaper hos explosiv svetsning :

Sammansatta egenskaper hos en explosiv svets påverkas beroende på huruvida gränssnittet bildas av instängd stråle vilket resulterar i krusning eller fri strålning som resulterar i total utskjutning av ett tunt gränssnitt. Den fångade jettekniken är föredragen eftersom den resulterar i ett utvidgat gränssnitt i en utsträckning av nästan 75% i längd.

Det rapporteras att smälta nuggets finns inbäddade framför och i vissa fall strax bakom gränsen för gränsvågformationen. I dessa zoner förefaller det finnas en betydande blandning av olika metaller som leder till avskiljda partiklar av en metall i den andra eller till produktion av fasta lösningar eller intermetalliska föreningar. Fri jetting kan ge en kontinuerlig gjuten gränssnittszon, såsom i koppar. Fri jetting kan orsaka fullständig utvisning av den interfaciella metallzonen.

På aluminium kan en 10 ° avstängningsvinkel resultera i nästan osynligt solid state-gränssnitt, där alla spår kan avlägsnas genom glödgning, medan en parallell avstängning ger ett krusigt gränssnitt med ett mörkt gränssnitt som inte påverkas av glödgning.

Gränshårdheten hos svetsar i koppar ökade från 65 till 150 VHN, medan mjukt stål till kopparsvetsar resulterade i mer härdning i kopparet då stålet medan koppar härdades från 60 till 160 VHN, stålet härdade från 120 till 160 VHN. Rostfritt stål uppnådde ett hårdhetsvärde på 400 VHN möjligen på grund av bildandet av martensit medan koppar till vilket det svetsades ökade i hårdhet från 60 till 150 VHN.

Det är uppenbart att icke-jämviktsfaser kan produceras vid explosiv svetsning och att höga belastningshastigheter resulterar i mycket höga diffusionshastigheter; också att de faser som produceras är känsliga för den exakta arbetssättet och de processvariabler som används.

Varianter av explosiv svetsning:

Explosiv punktsvetsning är kanske den enda varianten av processen. I denna process används en liten explosiv laddning för att ansluta svåra svetsmetaller,

En robust och kompakt handhållen explosiv punktsvetsare som väger ca 5 kg kan användas för att producera svetsar upp till ca 10 mm i diameter. Elström används för att tända laddningen och enheten är försedd med flera säkerhetslås. PTN (pentaerythritetranitrat) explosiva kapslar av olika vikter är tillgängliga för användning med standardhatten.

Vanligtvis är explosiv i direkt kontakt med arbetsstycket som ska svetsas. Dock kan plastbuffertskivor tillhandahållas för att skydda arbetsytan, vid behov. Stand-off-avståndet kan varieras om det behövs, men normal praxis är att kontrollera explosiv kraft genom att använda så liten explosiv laddning som möjligt.

De flesta konstruktionsmetallerna kan vara svetsade av explosiv svetsning, men processen har rapporterats vara särskilt framgångsrik för svetsning av austenitiskt rostfritt stål till koboltbaserade legeringar för användning i högtemperaturapplikationer och även för anslutning av nickelbaserad legering, såsom Inconel och nickel. Aluminiumlegeringar kan även lättsvetsas, förutsatt att de rengörs av det täta oxidskiktet högst 4 timmar före svetsning.

Explosiv punktsvetsning kan visa sig vara oumbärlig för rymdapplikationer såsom nödreparationer till rymdfarkoster eller till och med för installation av enheter i rymden.

Användning av explosiv svetsning:

Explosiv svetsning är en specialiserad process som används för skarvar i svåra svetsmetaller och kombinationer. Aluminium och koppar kan svetsas till rostfritt stål, aluminium till nickellegeringar och rostfritt stål till nickel. Aluminium kan svetsas till koppar och rostfritt stål till mässing. Bindningen av aluminium till stål kompliceras av bildningen av FeAl 2- skikt vid gränssnittet.

Detta kan emellertid lösas genom att placera ett mellanskikt av en metall som är kompatibel med båda dessa metaller eller genom att välja parametrarna för att minska diffusionsgraden som uppträder över gränssnittet. Svetsstyrkan beror på strukturen vid gränssnittet, men en svets som inte har ett skört gränssnitt ger vanligtvis 100 procent effektivitet i - skjuv eller spänning.

I allmänhet kan metaller med förlängning av minst 5% i 50 mm gauge längd och charpy V-notch slaghållfasthet på 13, 5 joules eller mer svetsas genom explosiv svetsning. Normalt ökar styrkan och hårdheten och duktiliteten minskar till följd av explosiv svetsning. Detta orsakas av allvarlig plastisk deformation som möts särskilt i flyerplattan. Explosiv svetsning kan också öka den rörliga övergångstemperaturen för kolstål.

Klädsel av plattor är en av de stora kommersiella tillämpningarna av explosiv svetsning. Klädda plattor levereras i svetsat tillstånd, eftersom den ökade gränssnittshårdheten inte påverkar plåtens tekniska egenskaper. Liten förvrängning av plattor kan ske under beklädnad, som behöver åtgärdas för att uppfylla standardplaneringsspecifikationerna. Rullar eller press kan användas för ändamålet.

Klädsel av cylindrar både inomhus och utomhus görs genom explosiv svetsning; En tillämpning av detta är den inre beklädnaden av stålsmidear med rostfritt stål för att göra munstycken, 12 mm till 600 mm diameter och upp till 900 mm längd, för anslutning till tungväggiga tryckkärl.

Metaller som är inkompatibla för fusionssvetsning svetsas genom att använda övergångssvetsar gjorda av explosiv svetsning som visas i figur 13.32.

Övergångskarvar skärs från tjock explosiv svetsad platta av aluminium och stål eller aluminium och koppar ger effektiva ledare av el. Denna teknik används också för tillverkning av anoder för primär aluminiumstål i rör i diameter från 50 till 300 mm. Andra metaller förenade med denna teknik innefattar titan till stål, zirkonium till rostfritt stål, zirkonium till nickelbaslegeringar och koppar till aluminium.

Explosiv svetsning finner också en applikation vid tillverkning av värmeväxlare där rör-till-rörplåtskar kan framställas genom denna process. En liten explosiv laddning används för att göra fogen som sådd i tre steg i fig 13.33. Rör kan svetsas individuellt eller i grupper, antalet rör som är svetsade i taget beror på den explosiva mängd som kan sprängas säkert vid enstaka detoneringar.

Fig. 13.34 visar schematisk övergripande inställning för explosionssvetsning av pluggar för tätning av de läckande rören, genom fjärrkontroll.

Rör svetsade i rör-till-rörplåtskar är vanligtvis av diameter mellan 12 och 40 mm. Metaller svetsade för sådana leder inkluderar stål, kopparlegeringar, rostfria stål, nickellegeringar, klädda stål och både aluminium och titan till stål.

Explosiv svetsning kan användas för reparation och uppbyggnad, speciellt både inom och utanför cylindriska komponenter.