ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Технология получения сваркой взрывом многослойных композиционных металлических материалов широкого функционального назначения

Рекомендуемая область пременения

Получение сваркой взрывом многослойных композиционных материалов с повышенным физико-механическими и эксплуатационными характеристиками в отраслях электроэнергетики, химии, нефтехимии, машиностроения, химического машиностроения, приборостроения, авиастроения, изделий военного назначения и новых материалов (композиционных материалов).

Назначение, цели и задачи проекта

Назначение проекта - разработанная технология является более экономичной и производительной (по сравнению с существующими аналогами), обеспечивает получение более высоких физико-механических и эксплуатационных свойств, обеспечивающих повышение экономических и тактико-технических характеристик изделий.

Изделия промышленного, военного назначения (обеспечение повышенных прочностных характеристик и т.д.), изделия для химической промышленности (трубы, резервуары и т.д.), ряд ответственных изделий электронной техники (датчики и т.д.) и электроэнергетики (токоведущие пререходники, шины токовводов и т.д.), изделия пищевой промышленности, изделия аэрокосмического комплекса и др.

Цель и назначение проекта:

- разработка методов получения сваркой взрывом композиционных многослойных и армированных материалов с уникальным комплексом физико-механических и эксплуатационных характеристик.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Использование материалов, сочетающих высокую прочность, жаростойкость, коррозионную и эрозионную стойкость, открывает широкие возможности для усовершенствования технологических процессов и повышения качества продукции в химическом машиностроении, металлургии, атомной энергетике, военной технике, а также других областях техники и промышленности. Этим условиям в значительной степени отвечают биметаллические и многослойные материалы.

В настоящее время используются следующие основные промышленные способы получения биметалла: литое плакирование, пакетная сварка прокаткой, электродуговая наплавка и сварка взрывом.

Первые три способа основаны на совместном пластическом деформировании металлов при определенном коэффициенте обжатия (отношения исходной толщины пакета или слитка к конечной толщине биметаллического листа), который должен быть не менее 6-8. Поэтому толщина биметаллических листов, получаемых этими способами, обычно не превышает 60 мм.

Электродуговой наплавкой возможно получение высококачественных биметаллических листов и заготовок любой толщины. Однако этот способ более дорогой и трудоемкий по сравнению с вышеперечисленными и не позволяет получить материалы с повышенными физико-механическими свойствами. Его применение наиболее эффективно при изготовлении профильного проката.

Все перечисленные способы практически не применимы для производства биметаллов сталь-цветной металл (или его сплавы), а также цветной металл – сталь - цветной металл. Для получения таких биметаллов все шире применяется сварка металлов взрывом.

В результате научных исследований, проведенных сотрудниками кафедры «Сварочное производство и материаловедение» Пензенского государственного университета была решена техническая задача по получения сваркой взрывом многослойных композиционных и армированных металлических материалов широкого функционального назначения.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

В настоящее время разработано достаточно большое количество схем сварки взрывом.

Для сварки листовых материалов наиболее распространены две основные схемы сварки взрывом: с параллельным (рисунок 1.1,а) и с угловым (рисунок 1.1,б) расположением соединяемых пластин.

Неподвижную пластину 4 и метаемую пластину 3 располагают параллельно либо под углом a на заданном расстоянии h. На метаемую пластину 3 укладывают заряд взрывчатого вещества 2 высотой ?_о.

а) с параллельным расположением пластин

б) с угловым расположением пластин

1 – электродетонатор; 2 – заряд ВВ; 3 - метаемый элемент толщиной ?₁; 4 - неподвижный элемент толщиной ?₂; 5 и 6 –технологические основания.

Рисунок 1.1 – Схемы сварки взрывом

В вершине угла устанавливают детонатор 1. Сварка производится на технологических основаниях (опорах) 5 и 6 (металлическая плита, дерево, бетон, песок и т.д.).

При инициировании по заряду ВВ распространяется фронт детонации со скоростью D до нескольких тысяч метров в секунду. Под действием высокого давления расширяющихся продуктов взрыва метаемая пластина приобретает скорость V_о порядка нескольких сотен метров в секунду и соударяется с неподвижной пластиной (под определенным углом g, называемом углом соударения). Вследствие высоких скоростей соударения и давления в зоне контакта происходит очистка поверхностей, их активация и образование соединения.

Физические явления, сопутствующие сварке взрывом, структура и свойства соединений в значительной степени зависят от ее основных параметров.

Основные параметры сварки взрывом подразделяются на технологические, кинематические и физические.

К технологическим параметрам процесса относят: скорость детонации D, характеризующую заряд ВВ и его плотность; безразмерный параметр r -отношение массы заряда ВВ к массе метаемой пластины.

Выбор взрывчатого вещества с определенной скоростью детонации D осуществляют с учетом физических и механических свойств металлов (таблица 1.1).

Таблица 1.1 Физические и механические свойства металлов и конструкционных сплавов

К кинематическим параметрам относят: скорость метания пластины V_o; угол соударения g; скорость движения точки контакта V_к.

В группу физических параметров включены: давление в зоне соударения; время образования соединения в зоне соударения; начальная температура свариваемых металлов, температура контактирующих слоев в зоне соударения; степень пластической деформации контактирующих слоев металла.

В ряде работ выделяется также группа энергетических параметров: удельная кинетическая энергия системы свариваемых элементов; удельная кинетическая энергия системы сваренных пластин; удельная энергия, затрачиваемая на пластическую деформацию металла в зоне соединения свариваемых элементов; удельная энергия, затрачиваемая на кумулятивный унос металла из вершины угла встречи соударяющихся пластин.

На процесс сварки взрывом влияет большое число факторов, поэтому получение сварного соединения конкретных материалов с определенными характеристиками прочности, удельного сопротивления, герметичности и др. возможно путем выбора оптимального диапазона физических, кинематических и технологических параметров.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Показана эффективность применения сварки взрывом для получения изделий авиационного, электротехнического, химического производств. Установлена возможность замены без потери эксплуатационных характеристик высокомодульных лёгких композиционных материалов на основе углепластика и алюминия на высокомодульные материалы на основе интерметаллидного упрочнения алюминия и магния для элементов авиационной и космической техники в рамках ОКР "ЕКС", "Аркон-2" и др., выполняемых ФГУП "НПО им. С.А. Лавочкина" по заказу Космических войск и ГП МИТ по заказу РВСН. Установлена возможность снижения до 35 % потерь электроэнергии в токопроводящих системах и электро-контактных узлах при переходе на биметаллические элементы, полученные сваркой взрывом. Приведены результаты экспериментальных исследований, свидетельствующие о повышении эксплуатационной надёжности и ресурса их работы в 3…5 раз. Показана возможность увеличения от 3 до 8 раз ресурса работы специального оборудования баз, арсеналов и объектов по ликвидации специальных боеприпасов. Проведена технико-экономической оценка замены материала струйного реактора и сепаратора, предназначенных для нейтрализации и разделения фракций при уничтожения люизита, а также транспортировочные контейнеры продуктов его переработки по заказу агентства по уничтожению химического оружия. Показано, что применение трёхслойного материала хастеллой- нержавеющая сталь -хастеллой, полученного сваркой взрывом, позволит повысить ресурс работы минимум в 6 раз. Экономический эффект за время, выделенное для уничтожения химического оружия, составит около 5 млн. руб. при условии повышенного уровня надёжности и безопасной эксплуатации всего комплекса. Подтверждена высокая эффективность данного принципа "протекторной питтинг-защиты" для объектов по переработке ракетных топлив, органических соединений, химически активных продуктов окислением сверхкритической водой в специальных реакторах. Ресурс работы данного оборудования может быть увеличен от 6 до 15 раз.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Разработана технология получения сваркой взрывом многослойных композиционных и армированных металлических материалов широкого функционального назначения с приданием им комплекса износостойких, электропроводящих, эрозионно- и коррозионностойких и др. свойств. Это позволит осуществить переход от существующих дорогостоящих традиционных методов получения композиционных материалов (литое плакирование, пакетная сварка прокаткой, электродуговая наплавка и др.) к более дешевым, т.е. произвести их замещение.

Увеличение сроков служебной пригодности и снижение массы элементов конструкций широкого функционального назначения из композиционных материалов, полученных сваркой взрывом возможно за счёт:

увеличения удельной прочности материала - в 1,5...2,0 раза;

повышения модуля упругости – в 2,0…2,5 раза;

повышение коррозионной стойкости - до 1,5 раз (для биметаллов);

увеличения электропроводящих свойств – более 2,0 раз;

повышения коррозионной стойкости – в 6,0 …15,0 раз (для многослойных

композиционных материалов).

Новые потребительские свойства продукции

Был проведен комплекс исследований и испытаний по изучению характери-стик исходных материалов, предназначенных для сварки взрывом:
- выполнен анализ бинарных диаграмм состояний сплавов алюминия, маг-ния, титана, тантала, ниобия, железа, меди и произведена оценка характера взаи-модействия компонентов, что позволило спрогнозировать вероятность появления промежуточных фаз в процессе сварки взрывом;
- исследована микроструктура сварных соединений: определены геометри-ческие параметры линии сварного шва, выявлены промежуточные фазы, оценено влияние параметров сварки на геометрию линии шва;
- установлено, что удвоенная амплитуда линии сварного шва находится в пределах от 80 до 210 мкм, а длина волны – от 300 до 800 мкм;
- определены размеры, форма и характер распределения зон расплавления, показано, что для пар нержавеющая сталь – циркониевый сплав Э125 в зависимо-сти от параметров сварки общая протяженность зон расплавления составляет до 60-80% от общей длины линии шва, размеры зон расплавления составляют 70-180 мкм в длину и 30-50 мкм в ширину, для пары ниобий - алюминий размер зон рас-плавления составляет 10-80 мкм, в некоторых соединениях зоны расплавления имеют усадочные раковины, с увеличением скорости точки контакта объем рас-плава вдоль линии шва увеличивается;
- изучены механические свойства: проведены испытания образцов для оп-ределения прочности, установлено, что значения предела прочности зависят от механических свойств свариваемых материалов, разрушение сварных соединений происходит либо по наименее прочному металлу, например, алюминию, либо по сварному шву, для различных пар соединяемых материалов прочность составляет от 90 до 460 МПа; предел прочности на срез имеет максимальные значения, когда протяженность зон расплавления, расположенных вдоль линии шва составляет не более 10-15%;
- измерена микротвердость зоны сварного соединения в направлении, пер-пендикулярном линии сварного шва, показано, что в процессе сварки происходит существенное упрочнение обоих слоев биметаллического материала, измерена микротвердость пар сталь 08Х17Т1 - ниобий, алюминий – ниобий, алюминий – цирконий, сталь 12Х18Н10Т – цирконий, тантал - цирконий и др., установлено, что микротвердость увеличивается по всему сечению, а на расстоянии около 1 мм достигает значений, превышающих исходное в 2-2,5 раза;
- выявлено влияние технологических переделов биметаллических материа-лов – термической обработки, прокатки, на механические и технологические свойства, на структурные изменения материалов вдоль линии сварного шва, пока-зано, что термическая обработка и эксплуатационные температурные воздействия снижают прочность сварных соединений до 15-40%, показано, что штампуемость биметаллического материала определяется механическими свойствами сваривае-мых материалов, пластичность биметалла алюминий - медь позволяет изготавли-вать из него изделия методом глубокой вытяжки;
- исследована зависимость термического воздействия при термической об-работке и эксплуатационном нагреве на электрическое сопротивление биметалли-ческого материала медь-алюминий электротехнического назначения, установлено, что отжиг при температуре 350-400 оС в течение 0,75-1 часа позволяет достигнуть минимального значения переходного электрического сопротивления 1,12-1,20 мкОм, что в 2-2,5 раза ниже переходного электрического сопротивления биметал-ла, полученного холодной сваркой;
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получать до-вольно широкую номенклатуру биметаллических и многослойных материалов из разнообразных металлов и сплавов в различном их сочетании в виде листов, труб, элементов сложного профиля.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам.

Стадия и уровень разработки

Выполнены научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, имеется собственный полигон для проведения взрывных работ (оборудование по своему функциональному назначению прошло этап экспериментального освоения и отработку технологии).
Трудности в освоении технологии отсутствуют, так как предприятие-разработчик специализируется на производстве подобной продукции. Освоение комплекса в производственных условиях заказчика, а при необходимости и сер-висные работы в ходе эксплуатации, выполняются специалистами предприятия-разработчика.
В рамках данного направления выполнены работы по заказу Института тео-ретической и прикладной электродинамики ОИВТ РАН, в рамках Росавиакосмос, в рамках научно-исследовательской работы по государственному оборонному за-казу и ряд других работ.
Стоимость сварки конечного изделия или технологии его изготовления за-висит от обрабатываемого материала и требуемого комплекса свойств.

Предлагаемые инвестиции

5 млн. руб.

Рынки сбыта

Энергосистема РАО «ЕЭС России» и металлургические предприятия, Ми-нистерство Обороны РФ, и др.

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология не имеет аналогов на мировом рынке аналогич-ной продукции и услуг.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

36

Дата поступления материала

14.05.2007