Popis nekonveční technologie svařování výbuchem Technologiee svařování výbuchem je způsobem tlakového spojování kovových materiálů za studena. V rozdělení metod svařování je uvedeno v norměě ČSN EN 34063. Toto rozdělení je ekvivalentní rozdělení dle ČSN ISO 857, technologii svařování výbuchem tak připadá označení 44. Svařovací tlak je vyvozen řízeným výbuchem, při němž se využívá energie výbušniny, střeliva, Nebo výbušniny tvarované do vrstvy podle tvaru svařovaného předmětu plošné svařování, plátování. Touto technologií nesvářet téměř všechny kovy, tloušťka může být od několikk desetin milimetrů až po 20 mm. Princip této technologie je zobrazen na obrázku obr.: 1, je na něm znázorněnn způsob plátování dvou ocelových plátů, které se svaří působením tlaku vyvozeným trhavinou. Trhavina je umístěna na vrchní straně na sobě položených svařovaných materiálu. Svařování výbuchem je technologií méně používanou, je spíše technologií speciální, o tom svědčí i její použití, často se využívá pro projekty americké NASA a vojenské projekty. O tom svědčí například článek pro Materials Sciencee Forum, který dodalo České ministerstvo obrany. V článku se autoři zabývají touto technologií (EXW EXplosion Welding) na vývoji kovového vrstveného balisticky odolného materiálu, který by umožnil při menších tloušťkách dosáhnout stejné odolnosti. Obr.: 1 Průběh svařování
Fyzikální princip svařování výbuchem Při svařování výbuchem (EXW) dojde ke spojení materiálů působením tlaku, který vznikne při detonaci výbušniny umístěné na horní ploše svařovaného materiálu. Poloha takto svařovaných materiálů může být rovnoběžná nebo šikmá. Sráz desek v místě kontaktu se řídí zákony ideální kapaliny a vzniká při něm rázová vlna s amplitudou tlaku, která dosahuje 10 100 GPa. Tato hodnota tlaku výrazně převyšuje mez kluzu materiálu v tlaku a proto se pro řešení vzájemného kontaktu materiálů používají vztahy hydrodynamické teorie ideálních kapalin. Sráz desek musí být při vzájemné rychlosti pod hodnotou rychlosti zvuku svařovaných materiálů, ukázka hodnot je v následující tabulce tab.:1. Prostředí Vzduch Voda Železo Hliník Měď Nikl Zirkon Rychlost [m s -1 ] 335 1490 5850 6260 4700 5630 4900 Tab.: 1 -Příklady rychlosti zvuků různých materiálu v složení prostředí a rychlosti zvuku Kovem prostupuje tlaková rázová vlna (obr.:1, 3), která způsobuje výraznou plastickou deformaci materiálu, část materiálu tzv. tlak zůstává na linii srázu a druhá podstatně menší tzv. trysk se pohybuje rychlostí převyšující detonační rychlost trhaviny ve směru jejího hoření. Trysk je tvořen povrchovými oxidy, částicemi kovu, tuky na povrchu, stlačeným horkým vzduchem a jeho stabilita není rovnoměrná, čímž se vytváří typické zvlnění rozhraní dvou materiálů, viz obr. :2.. Plastická deformace je při svařování výbuchem určujícím faktorem vzniku spoje a musí dosáhnout minimálně 30%. Deformace závisí na dynamickém úhlu srázu, rychlosti v místě kontaktu, rychlosti zvuku, hustoty a meze kluzu plátovaného materiálu. Obr.:2 typické zvlnění materiálu
Obr.: 3 Diagram isobarického tlaku vyvinutého v kolizním bodě dvou plechu, při svařování výbuchem. Technologie svařování a její možnosti (tloušťky a druhy materiálů, atd.) V současnosti se pro svařování výbuchem používají sypké trhaviny typu SEMTEX S25, S30, S35, výrobce Synthesia Semtín. Uvedené trhaviny jsou směsí pentrinu a hydrogenuhličitanu sodného) mají nízké detonační rychlosti, od 2050 3000 m s -1. Detonační tlaky se se pohybují od 1,9 3,5 GPa a zrnitost materiálu je pro svařování optimální. Další používané výbušniny jsou v tabulce tab.:2
Označení RDX PETN TNT Tetryl Lead Azide Detasheet Ammonium Nitrate Složení C3H 6 N 6 O 6 C5H 8 N 12 O 4 C7H 5 N 3 O 6 C7H 5 O 8 N 5 N6Pb NH 4 NO 3 Det. rychlost [m/s] 8100 8190 6600 780 5010 7020 2655 Tab.:2 další výbušniny používané pro EXW Svařování výbuchem se používá v těchto provedeních a modifikacích: Navařování bimetalů a více složkových kompozitů ze speciálních slitin Přístrojová a měřící technika části chemických a petrochemických a potravinářských zařízení nerezavějící oceli navařování při výrobě tepelných výmněníků svařování hliníku a oceli spojení ocelového lodního trupu s hliníkovou palubou svařovní otěruvzdorných materiálů na ocel atd. Výroba expand. voštin Letecký průmysl Švové svařování Bodové svařování Elektrické kontakty, nástroje Navařování práškových mat. Svař. trubkových syst.
Velmi dobře se spojují materiály s vysokou plasticitou. Vzhledem k tvorbě svaru při teplotách pod teplotou tavení můžeme svařovat mimo stejných materiálů i různorodé kombinace materiálů, např.: uhlíkovou ocel + CrNi austenitickou ocel, Ocel + měď, Titanm hliník, molybden, nikl, platinu. Nástrojovou ocel, stříbro + měď, nikl, titan, + stříbro, měď. Tloušťka plátovaných plechů může být až 30mm, ale spojují se i 0,1 mm tenké folie pomocí rázu kapaliny. Tloušťka základního materiálu, pokud se jedná o jednostranné svařování plátováním není oemezena. Lze spojovat hliníkové, mosazné, niklové a austenitické folie s měděnou podložkou. Výhody Nevýhody Krátký svařovací čas Speciálněě školená obsluha Minimální ohřev v úzké kontaktní rovině Vysoké bezpečnostní ryziko svařování různých tlouštěk Nemožnost svařování za klasických podmínek spojování různorodých materiálu speciální pracoviště plátování jednostranné i oboustranné Důležitou vlastností je umístění odpalovacího zařízení výbušniny. To hraje důležitou roli z hlediska volného odchodu nečistot, plynu atd. Proto je důležité zvolit vhodně jeho polohu. Na následujících obrázcích je vidět, že odpalovací zařízení je umístěno k středu jedné strany, tak, že detonace se šíří v kruzích a nedojde k vytvoření
kapes či jiných nežádoucích defektů. Plyny a nečistoty mají tak možnost volně odcházet ve směru šíření detonační vlny.
Typy svarových spojů Plátováný jednostranné oboustranné Švový Bodový Popis zařízení pro svařování výbuchem Zařízení pro svařování výbuchem není nijak sofistikované, jde spíše o vhodnost a velikost prostor pro provádění svařování. Musíme mít na paměti, že jde o svařování výbuchem, proto je potřeba velké plochy, některé firmy používají starší lomy, nebo mají přímo vytvořené a uzpůsobené prostory tunelů v podzemí, které tlumí a směrují rázovou vlnu, která vzniká při svařování. Důležité je po svařování svařovaný materiál zkontrolovat jestli je správně svařen, což se nejčastěji provádí zkouškou ultrazvukem ( nedestruktivní metoda ) v celém objemu svařovaných těles. Nebo některou zkouškou destruktivní, na malé části odebranou ze svařence.
Obr.: 4 Schéma výroby spo oje technolo ogií EXW obky Obr.:5 Výro
Obr.:6 mobilní ultrazvukové zkušební zařízení Postup pro postupu navrhování technologického
=1= = Součásti, jež se mají svařovat, musí mít vyčištěny a vyleštěnyy plochy, které se mají ksobě svařit. Doporučená drsnost je 3 um, nebo podle kombinace jejich tloušťek. =2= Součásti se umístí paralelně nad sebe, je mezi nimi ponechána mezera. Tato mezera musí být specifikována, zjistí ztabulek pro dané kombinace kovů. Jestliže není tato kombinace v tabulkách, platí potom, ze vzdálenost desek bude 0,4 0,5 násobek nejmenší tloušťky svařovanéhoo materiálu. Velikost musí být tedy taková, aby došlo ke srážce při výbuchu základního materiálu a přivařovaného materiálu. =6= Některé materiály, jako je zirkon a titan je nutné mechanicky a tepelně zpracovat. =5= Umístí se odpalovací zařízení tak, aby nevznikalii kapsy, či jiné překážky, které by bránily odchodd plynů a nečistot zmísta svaru. Často se umísťuje do středu plošných součástí, nebo k jedné straně. Musíme mít na paměti, že dochází k kruhovému šíření detonační vlny. =3= = Aby byla zaručená vzdálenost pro správné svařování je možno součásti ksobě předvařit klasickou technologií. =4= Použitá trhavina se volí sohledem na prostředí, ve kterém bude použita. Rychlost detonace musí být menší než rychlost zvuku. Nejčastěji používané výbušniny jsou v tab.:2.
Zdroje Svařování výbuchem [online]. 3. 10. 2005, <http://encyklopedie.seznam.cz/heslo/99152-svarovani-vybuchem> Technologie svařování [online]. 15.09.2008, <http://www.svarak.cz/f/svarak/p/pdf%20články/pdf_česky/technologie-svarovani- Kubicek.pdf> Utilization of Technology of Explosive Welding at Development of Multilayer Ballistic Resistant Materials [online].?2008, <http://aplikace.isvav.cvut.cz/resultdetail.do?rowid=riv%2f00000493%3ag41 %2F0 8%3A%230000158!RIV08-MO0-G41 > DETACLAD Explosion clad manufacturing at Nobelclad Europe S.A. [online]. 28.2.2003,<http://www.dynamicmaterials.com/data/brochures/NC%20English%20Clad %20Production.pdf> Engineering and Design Basics [online]. 16.5.2003, <http://www.highenergymetals.com/engineering%20and%20design%20basics%20web %20Page.pdf> Explosive welding for joining metals [online]. <http://www.tribtech.com/explosive%20welding.htm> Explosion welding technology[online]. 10.1.2008, <http://www.dynamicmaterials.com/divisions/clad%20metal%20group/explosion%20w elding%20technology/explosion%20weld%20process> Nobelclad technical bulletin nt200 [online]. 16.4.2004 Manufacturing process & product features [online].?2002<http://www.asahikasei.co.jp/baclad/en/process.html> <http://www.dynamicmaterials.com/data/brochures/1- nobelclad_technical_bulletin_nt200.pdf> Explosion Welding [online].<http://www.sbras.nsc.ru/dvlp/eng/pdf/219.pdf>