L. B. Pervukhin (4.59 Мб)

ISMAN STUDIES ON EXPLOSIVE PRODUCTION
OF NEW MATERIALS AND INDUSTRIAL
EXPERIENCE OF BITRUB INTERNATIONAL
Yu.A. Gordopolov and L.B. Pervukhin
Institute of Structural Macrokinetics and
Materials Science
Russian Academy of Sciences
Bitrub International, Ltd.
EPNM-2012, Страсбург
The analysis of defects arising in the course of
industrial production of bimetal by explosion
welding
Change of joint durability on the sample length.
250
250
Distribution of joint durability to tearing off on length of sheet.
«свищи», непровары
вздутие
Defects in clad sheet: faulty fusion at the initial stages,
worm-holes, local tear-out of clad material
The conventional theory of compound formation in
explosive welding
Scheme for explosion welding
1. clad sheet
2. weld
3. basic sheet
4-5. explosive charge
6. cumulative jet
The process of explosive welding is regarded as a high-speed collision of two jets at an
angle of a liquid to form a feedback (cumulative) of the jet.
Cumulative jet takes off with a layer of metal surfaces and welded together with the oxides
and contaminants they remove as a cloud of dispersed particles of the welding gap.
Juvenile surface compressed under the action of detonation products to form a metallic
bond.
Процесс сварки взрывом рассматривается как высокоскоростное соударение под углом двух струй жидкости с
образованием обратной (кумулятивной) струи.
Кумулятивная струя снимает слой металла со свариваемых поверхностей и вместе с окислами и
загрязнениями их удаляет в виде облака дисперсных частиц из сварочного зазора.
Ювенильные поверхности сдавливаются под действием продуктов детонации до образования металлической
связи.
Questions
(1) Whether or not explosive joining can be regarded as a result of
oblique collision and interpenetration of two liquids?
(2) Whether or not a cumulative jet is formed during welding?
(3) What is the mechanism for self- purification of clad surfaces?
1.
2.
3.
Следует ли рассматривать процесс сварки взрывом, как
соударение под углом двух струй жидкости?
Образуется ли в процессе сварки взрывом кумулятивная
струя?
При отсутствии процесса кумуляции как происходит
самоочищение поверхностей, их активация и образование
соединения?
Компьютерное моделирование деформационного процесса при
сварке взрывом с применением программы LS-DYNA
First choice: Elastoplastic behavior of welded elements, taking into account the
adiabatic temperature rise.
ерх
Lвконечн
ерх
Lвнач
Lнижн
нач
Lнижн
конечн
The end of the sheet after
the explosive welding
The beginning of the sheet
after the explosive welding
The second option: cladding sheet does not feel the
resistance to shear deformation
Lнижн
конечн
Окончание листа
после сварки взрывом сварки
Начало листа
после сварки взрывом
Results of experiments
Before explosion welding
After explosion welding
Matching clad and base plates
The top view
Conclusion
1. Not taking into account the resistance to shearing sheet clad
model more in line with the experimental data.
2. Clad sheet is not extended in the process of explosive welding
large steel bimetal, and the deformation of the сlad sheet occurs
before the contact point .
3. In the process of explosive welding at the point of impact is falling
at an angle of a plane liquid jet on a rigid wall.
1. Использование для плакирующего листа модели, не учитывающей сопротивление
сдвиговым деформациям плакирующего листа, в большей степени соответствует
экспериментальным данным.
2. В процессе сварки взрывом крупногабаритных заготовок из стали плакирующий
лист не удлиняется, а деформация плакируемого листа происходит впереди точки
контакта.
3. В процессе сварки взрывом в точке соударения происходит падение под углом
плоской струи жидкости на жесткую стенку.
Method of "traps".
The surface of a trap after welding of the Ti+Steel
on air. The covering from a mix oxygen the titanium
is observed on a surface.
Fe, Fe3N
The surface of traps after welding of the titan with a steel in argon is
absent a covering. In this photo machining traces are visible.
Conclusion
1. Experimentally, the method of "traps" for large samples and
sheets of industrial size, it is established that the explosion
welding on the modes used in the manufacture of bimetal
steel-steel, titanium-steel in argon, no effect is cumulative
2. In the absence of cumulative process: how the self-cleaning
surfaces, and their activation and formation of the compound?
1.Экспериментально, методом "ловушек" на крупногабаритных образцах
и листах промышленных размеров, установлено, что при сварке
взрывом на режимах, применяемых при производстве биметалла
сталь-сталь, титан-сталь в аргоне, отсутствует эффект кумуляции.
2. При отсутствии процесса кумуляции: как происходит самоочищение
поверхностей, их активация и образование соединения?
The scheme of calculation of shock-compressed
gas area ahead of a contact point
υ
υ
Vk
dmgr
dmex

 const
dt
dt
Two problems are in common
solved:
-Problems about the moved piston,
define of gas parameters for shockwave;
-Problems about flow out velocity of
gas from a welding gap;
Vk – the contact point velocity ; Р0 – atmospheric
pressure; Р1 – pressure in the shock-compressed gas
υ - flow out velocity of gas from a welding gap;
l – length of shock-compressed gas area
mgr - The grasped weight of air
mex - The expiring
weight of air
Dependence is determined by the size of the shock-compressed gas
Dependence l = f(s)
s 0b
l
1b  2
s
vк
 2 
2
P1 1 

 1
  1
2
 1
ρ0 – density of flowing gas, b – length of the
contact line, P1 – pressure in the shockcompressed gas, Vк – contact point
velocity,  - velocity of the gas, l - extent
of the zone of shock-compressed gas,
s – distance from the contact point
The dependence of the extent of the zone of shock-compressed gas (l) of the distance
traveled by the contact point (s) and the width of the welded sheets (b)
The mechanism of purification and activation of welded surfaces
The calculated
temperature
in
shock-compressed gas
Size of sheet,
mm
(26+4)х1400х5900
ΔТП.Т,
ºК
Plasma
Т плазмы,
ºК
2784
3125
5909
3500
5240
6125
11365
4500
8515
10125
18640
contact
point
velocity
Shock
compressed
gas
D=Vk,
м/с
Т УСГ,
ºК
2500
The supersonic flow (5–6 Mach numbers) of shock-compressed gas gives rise to thermal
ionization of gas ahead of the contact point accompanied by formation of thin layers of
low-temperature plasma at the interface.
Dissociation oxides and pollution occurs at influence of plasma. The positive ions of the metals which have
formed as a result dissociation come back to the cleaned surface. Atoms of oxygen, nitrogen, carbon form the
elementary gaseous connections СО2 and Н2О which are taken out from technological gap by the shockcompressed gas .
Dissociation oxides leads to the sharp increase of activation of welded surfaces before contact point.
В сварочном зазоре впереди точки контакта при сверхзвуковом (5-6 махов) обтекании ударно-сжатым
газом свариваемых поверхностей на границе раздела происходит термическая ионизация газа с
образованием тонких слоев низкотемпературной («холодной») плазмы.
При воздействии плазмы происходит диссоциация окислов и загрязнений, что приводит к резкому повышению
активации свариваемых поверхностей перед точкой контакта.
Plastic deformation in the process of joint
formation.
Activation time of shock-compressed gas area is 0.9 · 10-4 s
Время активации поверхности при обтекании ударно-сжатым газом
Activation time of plastic deformation area is 1 · 10-7 s
Время активации при пластической деформации поверхности в зоне контакта
p>>σд
P –pressure
σд –the dynamic yield strength
ε= l / l0
l – length of the line connection,
l0 – length of the projection
Suggested was the following scheme of explosive welding
1- zone of contact point,
2- zone of ahead of contact point
3- zone of join formation.
D – detonation velocity,
V- velocity of shock-compressed gas
Three stages form the joint by explosion welding:
1. Purification/activation of the welded surfaces are ahead of the contact point
of the shock-compressed gas under the influence of the plasma flow and
due to plastic deformation during the formation of the bump of the localized
deformation zone
2. Formation of physical contact and joint in the impact point
3. Volume interaction with joint formation and plastic deformation behind a
contact point
Соединение при сварке взрывом образуется в три стадии
1. Очистка и активация свариваемых поверхностей происходит впереди точки контакта в области
ударно-сжатого газа под воздействием потока плазмы и за счёт пластической деформации при
образовании бугра деформации в локализованной зоне ограниченной изобарой высоких давлений.
2. Образование физического контакта в точке соударения.
3. Объёмное взаимодействие с формированием соединения и пластической деформацией за
точкой контакта осуществляется.
Conclusions
The quality of explosive welding is primarily determined by
processes occurring ahead of the contact point, ie, purification and
activation of the welded surfaces. Therefore, to ensure a lasting
connection to the beginning of the process explosive welding,
excluding the initial fusions and areas of low strength, it is necessary
at the beginning of welding to provide the required parameters of the
shock-compressed gas and the formation of a layer of plasma
cleaning and activation of the welded surfaces.
Качество сварки взрывом определяется в первую очередь
процессами, идущими впереди точки контакта, то есть очисткой и
активацией соединяемых поверхностей. Следовательно, для
обеспечения прочного соединения в начале процесса сварки
взрывом, исключения начальных непроваров и участков пониженной
прочности, необходимо к моменту начала сварки обеспечить
требуемые параметры ударно-сжатого газа и образования слоя
плазмы для очистки и активации свариваемых поверхностей.
Technological bases of industrial manufacture
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Choice of the scheme of welding with the account of properties of welded
materials, features of narrow sides deformation and scraps of plating sheet
Rational technology of surfaces preparation of initial materials and
assemblage of packages
Use as explosive mixtures of microporous ammonium-nitrate + diesel oil .
Minimising of influence of external factors for the account of performance of
all operations on explosion welding preparation in shop. (On range the
apportion of explosive is made only.)
Quality assurance at all stages of manufacture of bimetal.
Выбор схемы сварки с учётом свойств свариваемых материалов,
особенностей деформации узких граней и обрезки нависаний
плакирующего листа
Рациональная технология подготовки поверхностей исходных
материалов и сборки пакетов
Использование в качестве ВВ смеси микропористой аммиачной селитры с
дизельным топливом
Сведение к минимуму влияния внешних факторов за счёт выполнения
всех операций по подготовке к сварке взрывом в цехе и только раскладка
заряда ВВ и его подрыв на взрывной площадке
Контроль качества на всех стадиях производства биметалла
CLAD METALS FOR ATOMIC POWER ENGINEERING
AND SHIPBUILDING
Bending tests, angle
Seal strength, MPa
Clad Metal Grade,
dimensions, mm
A-516 Gr70 + Ti Grade1
30(25+5)х3300х3800
A-240 Tp321+Ti Grade1
55(50+5)х110Х1750
A-106 GrB+ Ti Grade 1
38(30+8)х2700х2900
A-144 Gr E + AISI 410S
104(100+4)х1500х8000
4130 SA-29 Gr 4130 +
AISI Tp321
Forging  3900
degree
Lateral
Tear test
Shear test
Bending
250-350
180-230
130-135
130-135
305-335
280-350
130-135
130-135
More than
190-250
More than
250-350
80
80
370-410
250-310
180
-
420-440
270-320
180
-
bending
Bimetallic microstructure
Explosive used for the explosive welding
A mixture of micro porous granular ammonium nitrate with diesel fuel
at a ratio of 96:4 provides:
1. The stability of the detonation of large-size (2x8 meters) of flat explosive
charges in the thickness of 20-80 mm at a rate of detonation of 1500 2500 m / s
2. Explosive charge is not compacted layout, and does not cake when
stored for a week, does not separate the components
3. High quality clad metal
Смесь гранулированной микропористой аммиачной селитры с дизельным
топливом в соотношении 96:4 обеспечивает:
1.
Стабильность детонации крупногабаритных (2х8 м) плоских зарядов ВВ в
толщинах 20-80 мм со скоростью детонации 1500- 2500 м/с
2.
При раскладке заряда ВВ не уплотняется, при хранении в течение недели не
слёживается, не расслаивается на компоненты
3.
Высокое качество биметалла, полученного сваркой взрывом,
соответствующее мировым требованиям
Promising new clad metals
1. Instrumental and high-strength steel for the body armor and
armored protection
2. Instrumental + steel for structural work of tillage machines
3. Three-layer steel for tanks and welded pipes
4. Seamless boiler tubes-layer
5. Cylindrical multilayer parts
CLAD METAL FOR METALLURGICAL AND CHEMICAL
ENGINEERING
Tube-sheet blanks made of steel/brass clad metal grade 09Г2С+Л63
Two-layer sheets of steel/copper clad metal grade 09Г2С+М1:
Base metal thickness 30 - 200 mm
Clad layer thickness 8 - 12 mm
Bimetallic current leads titanium/copper for
electrolytic tanks grade ВТ1-0+М1, 24х1200
мм. High resistance to corrosion, reduction of
electricity losses
Composite plugs
Electrical resistivity of ceramic layer 15 KOhm
Deviation of crimping uniformity for the whole
length +/- 0,3 мм.
Compression strength of the ceramic layer 65 MPa.
Three-layer clad metal resistant to pitting corrosion. (Corrosion resistivity is 4-30
times higher than that of composing metals)
Area of use: reactors foe chemical weapon destruction, reservoirs for highly
aggressive fluids.