При взрыве освобождается большое количество энергии. И происходит это в ограниченном объеме, за короткий промежуток времени. В результате взрывчатое вещество превращается в газ с очень большим давлением, и высокой температурой.
При детонации взрывчатых веществ в контакте с, какой-либо твердой или жидкой средой в ней могут развиваться давления до сотен тысяч атмосфер, и температуры в тысячи градусов.
В подавляющем большинстве случаев источником импульсного выделения энергии для создания ударных волн служат взрывчатые вещества (ВЗ), такие, например, как тротил, гексоген.
При их детонации взрывная волна генерирует давления (в зависимости от природы ВВ, и его начальной плотности) примерно от 10 тысяч до 400 тысяч атмосфер; последняя цифра относится к взрыву самого мощного ВВ - гексогена.
Если детонационная волна во взрывчатом веществе налетает на, какое-то препятствие, например, металл, то вследствие того, что его динамическая жесткость (произведение начальной плотности среды на скорость распространения в ней ударной волны) всегда выше динамической жесткости продуктов взрыва, ударная волна может отражаться, и тогда давление в среде будет еще выше. Если же с помощью энергии взрыва разогнать, какое-нибудь тело, например, металлическую пластину, до скорости в несколько километров в секунду (сейчас удается разогнать до 4 - 5 километров в секунду), а затем этим летящим телом ударить по другому телу, то тогда развиваются еще более высокие давления - до нескольких миллионов атмосфер. В принципе с помощью ВВ можно генерировать давление ударного сжатия до 10 - 15 миллионов атмосфер.
Ударные волны, порожденные взрывом, оказались, и отличным «рабочим инструментом», с помощью которого ныне производят немало технологических процессов, в частности обработку вещества.
Казалось бы, отдельными своими эле ментами (давление, температура) взрывная волна напоминает уже известные виды воздействия на вещество, но в своем комплексе она настолько оригинальна, что ее воздействие следует рассматривать, как необыкновенное.
Существенная особенность, которая отличает воздействие ударных волн, возникающих при детонации взрывчатых веществ, от статических давлений, состоит в том, что переход «облучаемой» взрывом среды от исходного состояния к сжатому может совершаться за десятимиллиардные, и даже стомиллиардные доли секунды. А весь период ударного сжатия продолжается, как правило, всего лишь миллионные доли секунды.
Необыкновенно высокая скорость, с которой давление прикладывается к материалу, приводит к тому, что атомы его приходят в интенсивное движение, активизируются, а кристаллическая решетка (если тело не аморфное) сильно расшатывается. Поэтому в структуре материала после прохождения ударной волны появляется множество дефектов (дислокаций) разного рода-точечные, протяженные. При этом концентрация их столь велика, что другими методами воздействия на вещество достигнуть ее очень, и очень трудно. Например, при помощи взрыва во многих металлах можно создать концентрацию дислокаций, равную тысяче миллиардов на квадратном сантиметре поверхности.
Известно, что скорость многих физических, и химических процессов ограничена из-за медленного протекания диффузии. Благодаря интенсивным деформациям, и огромной концентрации несовершенств кристаллической решетки значительно возрастает скорость диффузионных процессов. Поэтому говорят, что ударная волна активирует вещество.
Под действием ударной волны процессы осуществляются непосредственно за время ударного сжатия, то есть за миллионные доли секунды. Другие процессы тоже очень успешно осуществляются под действием ударной волны, но они протекают уже после ее прохождения, как следствие тех изменений, которые произошли в веществе.
Все это, и позволяет создавать различные технологические процессы обработки материалов.
Сейчас наиболее широко энергия взрыва используется для таких видов обработки металлов, как штамповка, упрочнение поверхности, сварка, резка, прессование порошков, для проведения всевозможных превращений веществ, реакций.
Каждый из названных процессов имеет свои особенности, свои отличия от аналогичных классических способов обработки, свои преимущества.
О двух таких процессах, и рассказывается в этой статье.
ПЕРСПЕКТИВНОСТЬ НЕЖЕЛАТЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА
В истории военной техники нетрудно найти описания случаев, когда пули, и снаряды соединялись с поражаемыми металлическими телами; природа таких соединений расценивалась, как чисто механическая считалось, что происходило просто заклинивание или защемление.
В 1946 - 1947 годах в Киеве академик М. А. Лаврентьев вместе с группой своих сотрудников занимался исследованиями эффекта кумуляции - значительного усиления действия снаряда, когда на срезе (обращенном к преграде) взрывчатки сделана выемка; это действие особенно усиливается, если она облицована слоем металла. В ходе работ исследователи получили биметаллические образцы с весьма характерными для сварки взрывом волнами на поверхности контакта соударяющихся тел. Один из участников этих работ, Н. М. Сытый, проводил, и другие эксперименты обматывал пучки из медной проволоки детонирующим шнуром, и подрывал заряд ВВ. В результате взрыва проволочки, как, и в опытах по исследованию кумуляции, тоже соединялись в монолитный стержень.
Все эти наблюдения в то время не привели к разработке способа сварки с помощью взрывчатых веществ. Необходимые предпосылки для этого появились только в послевоенные, пятидесятые годы, когда в связи с развитием новой техники особую актуальность приобрело изыскание более интенсивных, и энергоемких методов получения, и обработки материалов. И одним из важных направлений в решении этих проблем стало использование в технологии обработки металлов взрывчатых веществ. Применение энергии взрыва для штамповки, упрочнения, и прессования металлов позволило не только отказаться от дорогостоящего оборудования, но, и расширить ассортимент изделий, повысить их качество, и производительность труда.
Именно значительный прогресс, достигнутый благодаря широкому внедрению штамповки взрывом, стимулировал интерес к поиску новых областей применения ВВ в металлообработке. Особенно широко эти исследования велись в США, и Советском Союзе.
В 1960 году ученики М. А. Лаврентьева, сотрудники Института гидродинамики Сибирского отделения АН СССР Е. И. Биченков, А. А. Дерибас и Ю. А. Тришин занялись исследованием эффекта упрочнения стали взрывом. С помощью энергии взрыва разгонялась металлическая пластина, которая ударяла по упрочняемой поверхности образца. В одном из таких экспериментов в 1961 году параметры соударения случайно были выбраны такими, что пластина приварилась к упрочняемой стальной поверхности. В тех исследованиях это было нежелательным эффектом, пластину приходилось отдирать. Но вскоре ученые поняли, что это явление само по себе очень перспективное, и надо изучить, как же сделать так, чтобы метаемая пластина всегда хорошо приваривалась к неподвижной детали. Начались серьезные исследования процесса сварки взрывом, и его внедрение в промышленность.
Ныне эти работы, помимо Института гидродинамики - пионера исследований сварки взрывом, получили широкое развитие в Институте электросварки имени Е. О. Патона АН УССР, Волгоградском политехническом институте, Алтайском научно-исследовательском институте технологии машиностроения, и во многих других отраслевых, и учебных институтах страны.
КВАДРАТНЫЕ МЕТРЫ ЗА МИЛЛИОННЫЕ ДОЛИ СЕКУНДЫ
Сварку взрывом производят следующим образом. На поверхность одной из деталей свариваемой пары (плоский лист, труба, кольцо или изделие другой формы) кладут взрывчатое вещество. Эту деталь располагают так, что при взрыве она летит на неподвижную деталь под углом 520 °; скорость метания оказывается порядка нескольких сот метров в секунду. Благодаря высоким давлениям, и температурам в области соударения, и большой пластической деформации происходит активное самоочищение поверхностей, их сближение, и прочное соединение.
В первых опытах по сварке взрывом использовались высокобризантные ВВ с большой скоростью детонации - именно такие, какие применялись для создания мощных ударных волн в экспериментах по упрочнению металлов. В этих условиях сварка между пластинами происходила только в определенном диапазоне начальных углов. При этом неизменно наблюдалась значительная остаточная деформация поверхностных слоев металла они имели волнообразную форму. Это походило на картину, типичную для многих гидродинамических явлений.
В свое время последний факт послужил даже основанием для утверждения, что процесс образования волн - главная причина сварки взрывом, и, несомненно, способствовал появлению у механиков, и физиков повышенного интереса к самостоятельным исследованиям этого очень сложного, и своеобразного процесса.
Именно в результате этих исследований было установлено, что дозвуковое течение в области контакта, и есть необходимое условие волнообразования. Оно заведомо выполняется, если скорость движения области контакта, которая при параллельном исходном расположении деталей равна скорости детонации ВВ, меньше скорости звука в металлах.
Например, скорость звука в стали немногим более 5 километров в секунду, а в свинце она значительно ниже, поэтому, чтобы получить качественное сварное соединение стали со свинцом, надо брать взрывчатку, для которой скорость детонации будет меньше скорости звука в свинце.
Конечно, имеется, и ряд других параметров процесса сварки, изменяя которые можно добиваться высокого качества соединения в зависимости от того, какие металлы свариваются, каковы размеры, и конфигурация соединяемых деталей, и т. д. К таким параметрам относятся количество ВВ, его размещение на метаемой детали, угол ее наклона.
В арсенале техники сегодня насчитывается около десятка различных способов сварки, широко применяющихся в разных областях народного хозяйства. Зачем же понадобилось развивать, и внедрять метод сварки, который для своего осуществления требует применения взрывчатых веществ?
Ответить на поставленный вопрос - это значит установить, чем же новый вид сварки отличается от других, ставших уже традиционными, а также выяснить, какие преимущества имеет он перед ними.
Используя энергию взрыва, удается соединять такие металлы, которые никакими другими способами не свариваются (например, сталь со свинцом).
Но самая важная особенность взрывной сварки состоит в том, что ей доступно соединение очень больших поверхностей - во много квадратных метров.
Следует отметить, что именно параллельная схема открыла принципиальную возможность соединения листов неограниченной площади. А это сразу выдвинуло сварку взрывом в число потенциально наиболее перспективных способов получения биметаллических листов, и труб, плакирования крупногабаритных изделий.
Недавно в Новосибирске, в Институте гидродинамики, по инициативе академика М. А. Лаврентьева проводилось Международное совещание по применению энергии взрыва для обработки металлов. Специалисты ряда ведущих промышленных предприятий, академических, и отраслевых научно-исследовательских институтов Советского Союза, а также ученые, и инженеры Болгарии, ГДР, Польши и Чехословакии обсуждали результаты исследований за последние 10 - 12 лет, намечали пути дальнейшего развития новых технологических процессов. Во время этого совещания была организована выставка, на которой, в частности, Алтайским научно-исследовательским институтом технологии машиностроения демонстрировался лист конструкционной стали площадью около 18 квадратных метров (3,5л5), покрытый с помощью взрыва слоем нержавеющей стали толщиной 3 - 4 миллиметра! Этим же институтом была выставлена модель лопасти гидротурбины; поверхность лопасти была с помощью взрыва облицована специальной сталью для предохранения от кавитационного износа. Гидротурбины с такими лопастями работают на Красноярской ГЭС.
Надо отметить еще одну существенную особенность сварки взрывом. Если вести нужным образом процесс, то, как правило, в сварном шве не образуются интерметаллические соединения, которые нарушают целостность шва, структуру металла. Поэтому прочность соединения получается столь высокой, что она всегда превосходит прочность наиболее слабого компонента свариваемой пары.
Энергией взрыва можно сваривать одновременно до нескольких десятков металлических слоев, подбирая для этого заряды соответствующей величины.
Наконец, следует учитывать, что процесс сварки взрывом осуществляется за тысячные, и даже миллионные доли секунды. И в большинстве случаев он не требует применения сложного оборудования. Это очень существенная особенность, открывающая перспективу использования взрывной сварки не только для изготовления уникальных изделий, но, и в массовом производстве.
Приведем еще несколько примеров, иллюстрирующих широкие возможности взрывной технологии.
В Институте электросварки имени Е. О. Патона проводятся не только интересные теоретические исследования, но, и серьезные практические работы по созданию технологии сварки взрывом готовых деталей, и металлоконструкций. Значительный успех достигнут, в частности, в разработке технологии сварки кабелей связи взрывом. Этот процесс производят непосредственно на том месте, где возникла необходимость, скажем, в поле. Все нужное для такой операции находится в специальной сумке сварщика. На концы двух сращиваемых кабелей надевается алюминиевая муфта, и специальной формы заряд ВВ. Сварщик уходит на безопасное расстояние, и с помощью взрывной машинки вызывает детонацию ВВ, в результате чего, и происходит сварка.
Этот метод очень эффективен, так, как позволяет заменить весьма трудоемкий, и малонадежный процесс пайки. Для организации внедрения этого способа было подготовлено свыше трехсот сварщиков-взрывников, что позволило применить новый способ при прокладке около 3 тысяч километров кабелей связи.
Большие перспективы открываются перед созданным в Институте электросварки способом локальной сварки взрывом мощных стале-алюминиевых токоподводов (к электролизерам для выплавки алюминия), и разнообразных элементов соединения электрических сетей на железнодорожном транспорте.
Немало интересных результатов получено в Волгоградском политехническом институте. Здесь, в частности, сваркой взрывом изготовляют биметаллические, и многослойные переходники - элементы для соединения разнородных металлов.
ВЗРЫВНЫЕ КАМЕРЫ
Люди, которые никогда не занимались взрывом, относятся к этому процессу очень настороженно. И внедрение взрывной технологии на заводе всегда связано с преодолением вполне понятных опасений. Специалисты же по взрыву знают, что если соблюдать все несложные правила техники безопасности, то взрыв не представляет никакой опасности.
Естественно, для проведения взрывов непосредственно в заводских условиях нужно специальное оборудование.
В Институте гидродинамики, и в Институте электросварки ведется большая работа по конструированию для этой цели специальных взрывных камер. В такой камере размещают детали, которые нужно сварить, и соответствующей величины заряд ВВ; затем закрывают дверь камеры, и подрывают заряд. После взрыва специальная вентиляционная система, которая имеет взрывобезопасные клапаны, проветривает камеру, и она снова готова к работе. Уже имеются камеры для взрыва 10 килограммов ВВ - количества, достаточного, чтобы соединить поверхности площадью до 1 квадратного метра. Для изготовления многих массовых изделий делают совсем небольшие камеры. Проектируются, и камеры для детонации зарядов весом в десятки килограммов.
Несомненно, что уже в ближайшее время сварка взрывом благодаря внедрению таких камер станет широко распространенным технологическим процессом на наших металлургических, и машиностроительных заводах. Создание технологических процессов, в которых взрывные камеры будут обслуживаться промышленными роботами, и манипуляторами, - это один из главных путей автоматизации работ по сварке взрывом.
«ВЗРЫВЧАТЫЙ ПЛАСТИЛИН»
Для успешного проведения сварки взрывом надо в каждом конкретном случае решить, какую взять взрывчатку, и, какое количество, какие размеры и форму должен иметь заряд. Если свариваются плоские поверхности, например, металлические листы, то тогда ВВ подбирается с учетом критерия, о котором уже говорилось скорость движения области соударения должна быть дозвуковой. А что касается веса заряда на единицу поверхности, то эта задача решается, исходя из веса той пластины, которую надо метнуть, чтобы приварить ее к основанию. Для этого имеются экспериментально установленные зависимости, позволяющие определять, сколько надо взять ВВ. Зачастую, согласно этим расчетам, получается, что вес заряда должен быть совсем небольшим, например, в тех случаях, когда хотят сделать покрытие из фольги. Но оказывается, что в очень тонком слое ВВ не детонирует - существу ют критические значения размеров заряда. И поэтому приходится наносить на метаемую деталь значительно более толстый слой ВВ, иначе оно не взорвется.
Сейчас весьма актуальна проблема создания взрывчатых веществ, в которых нуждается новая технология сварки. Решить ее не просто. Задача противоречивая чем мощнее ВВ, тем меньше критические размеры заряда, то есть в тем более тонком слое оно взрывается, а для целей сварки нужно относительно «хилое». ВВ (из критерия дозвуковой скорости движения области соударения), и при этом взрывающееся в тонком слое. Когда удастся создать такие ВВ, то можно будет, например, наносить на большие и сложные поверхности очень тонкие слои таких металлов, как золото, платина, родий, отличающихся высокой стойкостью против коррозии.
Но этим не исчерпывается проблема ВВ для сварки взрывом.
Существуют пластифицированные ВВ, обычно состоящие из химических взрывчатых веществ, к которым добавлена вязкая среда. После их полимеризации получается вещество, которое легко деформируется, принимает нужную форму. Поверхность такого «взрывчатого пластилина» можно сделать клейкой, что очень облегчает нанесение ВВ на сложные поверхности. Но все известные пластифицированные ВВ слишком мощные. Это хорошо для упрочнения металлов, но не годится во многих случаях для сварки взрывом. Поэтому приходится использовать обычные промышленные ВВ, и для получения требуемых параметров смешивать их с, какими-нибудь инертными компонентами. Таким образом, вторая задача - это создать для сварки пластифицированные ВВ с «мягкими» характеристиками и способностью детонировать в очень тонких слоях.
Этими проблемами заняты исследователи многих стран, и, очевидно, есть надежда, что их усилия увенчаются успехом.
Сварка взрывом - сравнительно молодой способ. Еще много предстоит решить теоретических, технологических, и конструкторских вопросов, чтобы она успешно внедрялась в народное хозяйство. Уже сейчас ясно, что в ряде случаев взрывная технология и по экономическим, и по техническим показателям окажется наиболее выгодным процессом. Конечно, у нового метода, как и у любого другого, есть свои области целесообразного применения. Сварку взрывом следует использовать прежде всего для решения уникальных задач, там, где этот вид обработки имеет явные преимущества перед традиционной технологией, и, понятно, там, где такая технология сегодня просто бессильна.
КОНСТРУИРОВАНИЕ ПОЛИМЕРОВ
В результате большого числа наших, и зарубежных работ установлено, что под действием высоких давлений и температур, которые развиваются при взрыве, протекает большинство известных химических реакций обменные, разложения, синтеза. В Институте химической физики было открыто, что под действием ударной волны происходит реакция полимеризации.
Под действием взрыва удалось получить очень много различных полимеров, причем, как из мономеров, хорошо полимеризующихся традиционными методами, так, и из тех, которые либо очень трудно полимеризуются, либо вообще считались неспособными образовывать полимеры. При этом выход реакции, то есть количество получающегося полимера, зависит от интенсивности ударного воздействия и природы мономера. Иногда, например, при полимеризации акриламида выход достигает 60 - 80 процентов.
Интересно, что полимеры, образующиеся под действием взрыва, зачастую обладают свойствами, отличными от свойств тех же полимеров, но полученных традиционными методами.
Объясняется это тем, что при использовании взрывной технологии получаются полимеры с намного более длинной цепью, а, следовательно, с значительно большим молекулярным весом. А с величиной молекулярного веса связаны многие свойства полимера, скажем, повышение температуры плавления.
Полимеризация под действием энергии взрыва сейчас еще находится в стадии научных исследований. Очевидно, в перспективе этот метод получит применение для создания уникальных полимеров, то есть таких, которые крайне трудно или просто невозможно образовать классическими способами. Так, на основе твердого малеинового ангидрида с помощью взрыва удалось получить не существовавший ранее полимер.
Метод полимеризации под действием ударной волны зарегистрирован, как открытие. Авторы этого открытия Г. Ададуров, И. Баркалов, В. Гольданский, А. Дремин, Т. Игнатович, А. Михайлов, В. Тальрозе, Я. Ямпольский.
Взрыв - одно из самых универсальных средств воздействия на вещество, и это делает использование взрыва важным фактором ускорения научно-технического прогресса.
