ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 8, с. 861-866
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 621,791.12:539.25
ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СВАРИВАЕМЫХ ВЗРЫВОМ СОЕДИНЕНИЙ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ УЛЬТРАЗВУКА
© 2015 г. А. П. Пеев, С. В. Кузьмин, В. И. Лысак, Е. В. Кузьмин, А. Н. Дородников
Волгоградский государственный технический университет, 400005 Волгоград, просп. им. Ленина, 28
e-mail: weld@vstu.ru Поступила в редакцию 05.11.2014 г.; в окончательном варианте — 11.02.2015 г.
Представлены результаты воздействия ультразвука на свариваемые взрывом материалы. Установлено, что одновременное воздействие ультразвуковых колебаний на свариваемые материалы в условиях сварки взрывом оказывает существенное влияние на структуру и свойства околошовной зоны полученных соединений.
Ключевые слова: сварка взрывом, ультразвуковые колебания, структура, микротвердость, прочность.
DOI: 10.7868/S0015323015080136
ВВЕДЕНИЕ
Известно [1], что при воздействии на материалы высококонцентрированных источников энергии создаются условия, существенно изменяющие структуру и свойства как самих материалов, так и их соединений, чего нельзя достичь внешними источниками энергии иной природы. В связи с этим особый интерес представляют результаты совместного воздействия взрывного на-гружения (в частности, при сварке взрывом) и ультразвуковых волн на металл.
Несмотря на то, что источники энергии, используемые для соединения материалов при сварке взрывом и с помощью ультразвуковой обработки, принципиально отличаются друг от друга, сходными для них являются физические процессы, протекающие в поверхностных слоях материалов — образование и перемещение к свободной поверхности дислокаций и вакансий, которые играют одну из ключевых ролей при схватывании металлов [1, 2]. Это создает предпосылки для проведения исследований характера формирования соединения при сварке взрывом с одновременным воздействием на соударяющиеся материалы высокочастотных колебаний.
Вместе с тем, несмотря на множество работ в области ультразвуковой обработки материалов, вопрос о механизме и особенностях влияния ультразвука на структуру и свойства остается открытым, а исследования влияния ультразвука на образование соединения при сварке взрывом вообще находятся на начальной стадии изучения
Целью данной работы являлось исследование влияния ультразвуковых (УЗ) колебаний в условиях сварки взрывом на структуру и свойства околошовной зоны полученных соединений.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
При проведении опытов в качестве материалов исследования применяли сталь В Ст. 3сп толщиной 2 мм и медь М1 толщиной 3.5 мм в состоянии после отжига.
Сварку взрывом при одновременном воздействии ультразвука на неподвижную пластину осуществляли во взрывной камере по двум схемам: с встречно-направленным (рис. 1а) и перпендикулярно-направленным (рис. 1б) распространением ультразвуковых колебаний относительно направления сварки. Стыковка волновода с неподвижной пластиной осуществлялось через приваренный к ней металлический стержень. При этом расстояние между неподвижной пластиной и волноводом во всех опытах сохранялось постоянным (не более 100 мм), а ультразвуковой генератор располагался за пределами взрывной камеры и включался за 30—60 с до подрыва заряда взрывчатого вещества (ВВ). Для сравнения полученных результатов исследования одновременно производили сварку взрывом тех же пар металлов на идентичных режимах без воздействия ультразвука (контрольные образцы). Параметры режима сварки взрывом (Кк — скорость точки контакта, V — скорость соударения) рассчитывали с использованием пакета приклад-
(а)
Рис. 1. Схема сварки взрывом с применением ультразвука с продольным направлением УЗ-колебаний (а); с перпендикулярным направлением УЗ-колебаний (б): 1 — электродетонатор; 2 — заряд ВВ; 3 — метаемая пластина; 4 — неподвижная пластина; 5 — концентратор (волновод); 6 — пьезокерамический преобразователь; 7 — ультразвуковой генератор.
ных программ EW Calc [3]. Контроль скорости детонации ВВ осуществляли электроконтактным методом с регистрацией времени при помощи электронно-счетных частотомеров Ч3-63.
В качестве ультразвукового генератора использовали установку УЗГИ-2 с пьезокерамиче-ским преобразователем и волноводом в виде конического концентратора, характеризующегося минимальным коэффициентом трансформации и широким диапазоном выбора амплитуды колебаний. Амплитуда УЗ-колебаний в опытах составляла ~7 мкм при частоте 18 кГц.
Микротвердость околошовной зоны определяли на приборе METKON DUROLINE-M (не менее 10 измерений для каждого образца) при нагрузке 0.49Н. Металлографические исследования выполняли на оптическом микроскопе OLYMPUS BX61. Изучение фазового состава и параметров структуры медных образцов проводили с использованием дифрактометра ДРОН-3 в излучении медного анода (CuXa). Запись осуществляли в автоматическом режиме со скоростью движения счетчика 4 град/мин, с отметкой углов через 1 град. Диапазон записываемых углов 2© — 41.5—100 град. Определяли экспериментальную ширину рентгеновских линий, и по методу аппроксимации [4] вычисляли физическое уширение (ß), относительную деформацию кристаллической решетки
((е)) и размер (Б) областей когерентного рассеяния (ОКР).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Проведенные исследования показали, что воздействие УЗ-колебаний на свариваемые материалы в процессе сварки взрывом оказывает существенное влияние на структуру и свойства околошовной зоны полученных соединений. Наибольшие изменения отмечаются при воздействии встречно-направленных УЗ-колебаний относительно направления сварки, которые дальше будем анализировать (далее по тексту "опытные образцы").
Установлено, что при воздействии УЗ-колебаний как в стальных, так и в медных образцах наблюдается уменьшение параметров волнового профиля границы сварного соединения (рис. 2, 3), что явилось весьма неожиданным результатом, сопровождаемое некоторым увеличением микротвердости металла околошовной зоны по сравнению с контрольными образцами. Так, при воздействии встречно-направленных продольных УЗ колебаний параметры волнового профиля границы соединения стальных образцов (см. рис. 2а, в) уменьшились почти в 2 раза и составили в среднем размах волны 2а ~ 0.04 мм, длина волны X ~ 0.13 мм, в то время как в контрольных образцах 2а ~ 0.10 мм, — X ~ 0.27 мм (рис. 3а). Аналогичный эффект проявился и при сварке взрывом медных образцов (рис. 3б).
Воздействие ультразвуковых колебаний также приводит к некоторому увеличению максимальных значений микротвердости, измеренной в непосредственной близости от линии соединения опытных образцов, по сравнению с контрольными. Максимальный рост значений микротвердости с 232 (контрольные образцы) до 278 НК(опыт-ные образцы) наблюдался при сварке взрывом стальных образцов (рис. 4а). При сварке взрывом медных образцов микротвердость выросла в меньшей степени с 175 до 196 (рис. 4б).
Воздействие УЗ-колебаний при сварке взрывом медных образцов при тех же режимах приводит к принципиальному изменению конфигурации зоны соединения (рис. 5). Анализ микроструктуры контрольных образцов методами оптической металлографии показал, что при отсутствии ультразвукового воздействия в результате соударения вытесняемый в направлении метаемой пластины объем деформированного металла неподвижной пластины в виде бугра деформации испытывает в верхней точке разделение при последующем соударении с метаемой пластиной. Часть этого потока продолжает течение в направлении вектора скорости точки контакта, а другая — в противоположном направлении с образованием зоны завихрения и локального участка оплавленного
ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СВАРИВАЕМЫХ ВЗРЫВОМ СОЕДИНЕНИЙ
863
Рис. 2. Микроструктура зоны соединения сваренных взрывом стальных образцов:
а, б — без воздействия ультразвуковых колебаний; в, г — с воздействием ультразвуковых колебаний (а, в — Ук = 2300 м/с, Ус = 480 м/с; б, г - Ук = 2300 м/с, Ус = 350 м/с).
металла под гребнем волны. На месте оплавленного металла формируются игольчатые дендриты, ориентированные по нормали к поверхности теп-лоотвода, и усадочные раковины в центре (рис. 5а). В зоне волнообразования кристаллы вытянуты в направлении течения металла, их форма и размер определяются процессами фрагментации [5-8], а вблизи зоны пластически деформированного металла наблюдается уменьшение размера зерна за счет процессов рекристаллизации и двойникования.
Микроструктура опытных медных образцов вблизи зоны контакта соответствует структуре металла, пластически деформированного преимуще-
Рис. 3. Влияние схемы взрывного нагружения на длину X и размах 2а образующихся волн в стальных (а) и медных (б) образцах:
1 — без ультразвука; 2 — встречно-направленные продольные УЗ-колебания; 3 — перпендикулярно направленные УЗ-колебания (Ук = 2300 м/с, Ус = = 480 м/с — для стали, Ус = 400 м/с — для меди).
0.4
0.3
С 0.2
в ся
0.1
0 0.4
в
2
(а)
2а
X
300 250 ^ 200 ^ 150 ^ 100 50 0
Рис. 4. Влияние схемы взрывного нагружения на максимальное значение микротвердости НУ в околошовной зоне стальных и медных образцов: 1 — без ультразвука; 2 — встречно направленные продольные УЗ- колебания.
ственно в направлении вектора скорости точки контакта, а участки оплавленного металла имеют меньший объем в сравнении с контрольными образцами и не содержат усадочных раковин и игольчатых дендритов (рис. 5в, 5г).
Несмотря на одинаковую величину кинетической энергии метаемой пластины в обоих случаях, ярко выраженное изменение размеров и структуры зоны формирования сварных соединений указывает на то, что диссипация энергии после соударения происходит по разным механизмам. Одной из возможных причин такого изменения конфигурации зоны соединения может являться трансформация структуры в результате предварительного ультразвукового воздействия на металл.
Для проверки этой гипотезы был проведен рентгеноструктурный анализ медных образцов в состоянии: после отжига; после отжига и обработки ультразвуком; сваренные взрывом образцы
ВСтЗсп М1
Рис. 5. Микроструктура зоны соединения сваренных взрывом медных образцов:
а,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.