POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ Łączenie metali techniką zgrzewania wybuchowego 09.10.2014 dr inż. Michał Gloc
Wybrane techniki łączenia metali 2
Połączenia spawane Połączenia poprawne Połączenia wadliwe Pustka w spoinie płaskiej Nieciągłości w spoinie doczołowej 3
Platerowanie Plater -metal odporny na degradację Podłoże-metal przenoszący obciążenia mechaniczne Plater Podłoże Złącze Blachy platerowane dlaczego stosujemy? Cena Odporność na korozję Oszczędność metali deficytowych Stosowane m.in. w przemyśle petrochemicznym, elektrowniach jądrowych, energetyce www.explomet.pl Złącze CuCrZr/stal połączone metodą wybuchową 4
Wprowadzenie Platery są to materiały (określane też jako rodzaj kompozytów) składające się z dwóch lub więcej warstw różnych metali trwale złączonych (nie dających się rozdzielić mechanicznie). Połączenie takie jest wynikiem działania temperatury, ciśnienia, odkształcenia plastycznego lub próżni podczas wytwarzania. Celem wytwarzania platerów jest uzyskanie kombinacji żądanych właściwości; głównie odporności na korozję, odpowiednich właściwości tarciowych, lub specjalnych właściwości elektrycznych, cieplnych bądź efektów estetycznych, przy niższych kosztach niż zastosowanie litego materiału, albo uzyskanie specyficznych właściwości, których nie posiada materiał lity. 5
Walcowanie hutnicze na gorąco lub zimno Sposoby platerowania Napawanie Wybuchowe Walcowanie hutnicze Plater Przekładka niklowa Podłoże Przykładowy schemat układu wykorzystywanego w platerowaniu poprzez walcowanie 6
Proces platerowania wybuchowego www.explomet.pl Plater - materiał nakładany Detonator Materiał wybuchowy Piasek Podłoże-materiał bazowy Przykładowy schemat układu wykorzystywanego w platerowaniu wybuchowym 1 2 3 4 5 6 Poszczególne etapy w platerowaniu wybuchowym 7
Platerowanie wybuchowe Platerowanie wybuchowe jest unikalną metodą spajania, pozwalającą łączyć ze sobą metale trudne bądź nawet niemożliwe do połączenia innymi metodami Materiałami nakładanymi na materiał podstawowy są zazwyczaj: stale wysokostopowe chromowe i chromowo-niklowe miedź i jej stopy nikiel i jego stopy aluminium, tytan, wolfram oraz srebro tantal, cyrkon Materiałami podstawowymi są zazwyczaj: stale niestopowe i niskostopowe, miedź, aluminium i ich stopy W szczególnych przypadkach istnieje możliwość nakładania na siebie materiałów w układzie wielowarstwowym 8
Zalety zastosowania łączenia wybuchowego Szeroki zakres dopasowania wymiarów materiałów Niewielka ilość faz intermetalicznych Możliwe łączenie nawet kilku różnych materiałów na raz Oszczędności sięgające nawet ponad 50% kosztów wytworzenia aparatury Trwałe złącze pomiędzy materiałem podłoża a nakładanym platerem Łączenie dużych powierzchni (nawet do 50 m 2 ) Łączone mogą być różne metale i stopy, które ze względów technologicznych nie mogą być połączone tradycyjnymi metodami Dobre warunki przewodnictwa prądowego Właściwości materiałów składowych nie ulegają zmianie Relatywnie krótki czas produkcji
Wady zastosowania łączenia wybuchowego Koniecznie jest dysponowanie odpowiednim miejscem do wykonywania prac strzałowych, położonym z dala od terenów zamieszkałych, takim jak poligon wojskowy, bunkier lub kopalnia; może być to również specjalnie zaprojektowana komora strzałowa lub próżniowa Łączenie prostych kształtów Niebezpieczeństwo związane ze stosowaniem materiałów wybuchowych 10
Proces zgrzewania wybuchowego Do najważniejszych procesów w obszarze zderzenia zalicza się : Samooczyszczanie powierzchni Formowanie się fal międzypowierzchniowych Procesy cieplne, odkształcenie plastyczne, działanie naprężeń rozciągających gdzie V p - prędkość przesuwu detonacji, V z - prędkość blachy nakładanej (flayer plate),α-kąt ułożenia blachy Schemat łączenia blach metodą wybuchową Procesowi zgrzewania towarzyszą zjawiska rekrystalizacji i dyfuzji, które przebiegają głównie bezpośrednio po uformowaniu połączenia i wpływają znacząco na właściwości połączeń. 11
Wytwarzanie blach platerowanych Przygotowanie materiałów podstawowych - materiały otrzymywane są od klienta bądź zamawiane są u producenta blach. Do każdej blachy dołączany jest certyfikat jakości. Oczyszczenie blachy poprzez szlifowanie mechaniczne, odcięcie naddatku, docięcie do wymaganych przez klienta wymiarów Transport blach na poligon wojskowy a b Blachy po procesie piaskowania (a) i rozładunek blach na poligonie(b) 12
13
14
15
Wytwarzanie blach platerowanych Odpowiednie ułożenie blach Ustawienie dystansu pomiędzy blachami Usunięcie ewentualnych zabrudzeń na krawędziach Plater (materiał nakładany) Materiał wybuchowy Piasek Dystans pomiędzy dwiema blachami Schemat układu wybuchowego 16
Wytwarzanie blach platerowanych Ułożenie ładunku wybuchowego na układzie Odpalenie ładunku Ładunek gotowy do odpalenia Zdjęcie bezpośrednio po odpaleniu ładunku 17
Filmy z łączenia wybuchowego metali 18
Wytwarzanie blach platerowanych Po wybuchu, w miejscu detonacji, pozyskuje się połączoną, platerowaną blachę. Blacha jest pogięta, dlatego ostatecznym etapem wytwarzania blach platerowanych jest ich prostowanie na walcarkach oraz obróbka cieplna. Celem obróbki cieplnej jest usunięcie naprężeń, jakie powstały na skutek silnego odkształcenia plastycznego podczas wybuchu Blacha bezpośrednio po zgrzewaniu wybuchowym
Obróbka cieplna Wyżarzanie normalizujące przeprowadzono w temperaturze 200 0 C powyżej linii GSE wykresu żelazo-węgiel Po ochłodzeniu (z piecem) otrzymuje się jednolitą strukturę i jednocześnie usuwa naprężenia, powstałe w czasie zgrzewania wybuchowego 20
Badanie defektoskopem ultradźwiękowym 21
Proces zgrzewania wybuchowego W procesie zgrzewania wybuchowego, przy odpowiednich parametrach, powstają cykliczne odkształcenia zgrzewanych powierzchni. Odkształcenia te ze względu na ich kształt i charakter nazywa się falami międzypowierzchniowymi - przedstawionymi na zdjęciach. Ich długość i amplituda są funkcją wielu czynników (m.in. zależą od ilości i reaktywności materiału wybuchowego oraz prędkości detonacji). Falisty charakter złącza wykonanego metodą wybuchową
II 16M/Inconel601 Mikrostruktura wybranych platerów Plater Plater Strefy przejściowe Strefa przejściowa Plater Strefa przejściowa Złącze Podłoże Podłoże 100 µm 200 µm 100 µm Podłoże Strefa przejściowa Strefa przejściowa 100 µm Podłoże 20 µm 20 µm Mikrostruktura niewodorowanego złącza Inconel 601/16M wytworzonego metodą platerowania wybuchowego. Wytrawiony plater i podłoże z wyraźnie odkształconym ziarnem w pobliżu złącza i rozdrobnionym ziarnem w złączu. Widoczne lokalne strefy przejściowe w złączu. Trawienie elektrochem. w 10% kwasie szczawiowym. (LM) 23
Zastosowanie Struktura złącza trójwarstwowego Stal w gat. A + Aluminium Al99,5%+ Stop AlMg
Zastosowanie 25
Zastosowanie 26
Zastosowanie 27
Degradacja platerów stosowanych w elektrowniach Delaminacja (rozwarstwienie) Gradient temperatury Różnica dyfuzji i rozpuszczalności wodoru w łączonych materiałach Lokalne przesycenie wodorem metalu w pobliżu granicy plater/podłoże Różnice struktury krystalicznej (RPC, RSC) Plater Podłoże 200 µm Delaminacja plateru i podłoża 28
Złącze wolfram -żelazo armco do potencjalnego zastosowania w reaktorach fuzyjnych 29
International Thermonuclear Experimental Reactor Dobrze zapowiadającym się i spełniającym wymogi eksploatacyjne materiałem na ściany reaktora ITER jest czysty wolfram. Pomimo swojej idealnej wytrzymałości termicznej, niewielkiej aktywacji w kontakcie z szybkimi elektronami, wolfram jest materiałem bardzo kruchym, drogim i jednocześnie bardzo ciężkim. Dlatego propozycją są wolframowe blachy platerowane wybuchowo (zgrzane) z nisko aktywującymi się stalami. 30
Założenia do prób łączenia wolframu z żelazem W zakresie wymagań konstrukcyjnych należy przyjąć następując warunki pracy elementu konstrukcyjnego reaktora - popielnika, takie jak: Obciążenia temperaturowe, co powoduje konieczność zachowania bardzo wysokiej wytrzymałości złącza wynikającej z przeszło dwukrotnej różnicy w wydłużeniu stali i wolframu. Próżnia panująca wewnątrz reaktora - złącze pomiędzy wolframem i stalą powinno być pozbawione jakichkolwiek wad typu nieciągłości, mikropustki, czy mikropęknięcia. Musi zapewniać pełną próżnioszczelność. Niedopuszczalne będzie jakiekolwiek wydzielanie się gazów z obszaru złącza do wnętrza reaktora.
Założenia do prób łączenia wolframu z żelazem Bardzo niskie właściwości plastyczne blachy wolframowej wytworzonej metodą spiekania proszków. Dla klasycznych układów wybuchowego platerowania za dolną, wymaganą granicę wydłużenia materiału podstawowego przyjmuje się wydłużenie A 5 = 5 7%. Grubość blachy wolframowej zaplanowanej do wykonania prób = 1 mm. Własności niskostopowej stali planowanej docelowo do użycia, jako warstwa podstawowa (A 10 = 15%; udarność ok. 95 J/cm 2 ).
Problemy do rozwiązania Trwałość połączenia zależy od jakości złącza pomiędzy materiałem plateru i podłoża. Głównym problemem jest bardzo niska plastyczność wolframu w temperaturach w których odbywa się zgrzewanie wybuchowe. Minimalne całkowite wydłużenie materiału powinno być na poziomie A c =5% w przypadku łączenia wybuchowego. Dla materiału wolframu wydłużenie to wynosi maksymalnie 2,5%.
Złącze wolfram miedź Ze względu na bardzo silne odkształcenia podczas procesu produkcji złącz wolfram stal metoda wybuchową początkowo podjęto próby wykonania połączenia złącza w układzie wolfram miedź. Przy pewnych parametrach wybuchu złącze nie wykazywało pęknięć i ubytków Płyta wolframowa Płyta miedziana Złącze wolfram miedź Stal stanowiąca podłoże dla układu 34
Przygotowanie układu wolfram - miedź a b c a- układ przygotowywany do platerowania wybuchowego; b-gotowy układ ; c -połączony materiał miedzi i wolframu Wolfram Miedź Detonator Materiał wybuchowy Piasek Stal stanowiąca podłoże dla układu Schemat przygotowania układu wolfram miedź do platerowania wybuchowego 35
36
37
38
Złącze wolfram miedź Wykonane badania mikrostrukturalne wykazały, że w pewnych obszarach (przy odpowiednich parametrach wybuchu), złącze jest wykonane zgodnie z założeniami. W obszarach tych nie obserwuje się pęknięć pustek oraz rozwarstwień. Dalsze badania pozwolą na dokładne wytypowanie parametrów procesu platerowania wybuchowego w taki sposób aby możliwe było otrzymywanie złącz na dużo większych powierzchniach blach Miedź a b Wolfram Miedź Wolfram 50 µm Złącze wolfram miedź wykonane metodą wybuchową; a LM, b-sem 39
Dziękuję za uwagę 40