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 Distribution of joint durability to tearing off on length of sheet. Defects in clad sheet: faulty fusion at the initial stages, worm-holes, local tear-out of clad material «свищи», непроварывздутие 250 Change of joint durability on the sample length.

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. 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.

Questions 1.Следует ли рассматривать процесс сварки взрывом, как соударение под углом двух струй жидкости? 2.Образуется ли в процессе сварки взрывом кумулятивная струя? 3.При отсутствии процесса кумуляции как происходит самоочищение поверхностей, их активация и образование соединения? (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?

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 Окончание листа после сварки взрывом сварки Начало листа после сварки взрывом 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.

Results of experiments Matching clad and base plates Before explosion welding After explosion welding The top view

Conclusion 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. 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.

Method of "traps". 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. 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, Fe 3 N

Conclusion 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? 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?

The scheme of calculation of shock-compressed gas area ahead of a contact point Two problems are in common solved : -Problems about the moved piston, define of gas parameters for shock- wave ; -Problems about flow out velocity of gas from a welding gap ; V k – the contact point velocity ; Р 0 – atmospheric pressure ; Р 1 – pressure in the shock-compressed gas υ - flow out velocity of gas from a welding gap ; l – length of shock-compressed gas area m gr - The grasped weight of air m ex - The expiring weight of air υ υ VkVk

Dependence is determined by the size of the shock-compressed gas Dependence l = f(s)ρ 0 – density of flowing gas, b – length of the contact line, P 1 – pressure in the shock- compressed 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 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 СО 2 and Н 2 О which are taken out from technological gap by the shock- compressed gas. Dissociation oxides leads to the sharp increase of activation of welded surfaces before contact point. The mechanism of purification and activation of welded surfaces The calculated temperature in shock-compressed gas Size of sheet, mm contact point velocity D=V k, м/с Shock compressed gas Т УСГ, º К ΔТ П.Т, º К Plasma Т плазмы, º К (26+4)х1400х 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. P –pressure σ д –the dynamic yield strength l – length of the line connection, l 0 – length of the projection Activation time of shock-compressed gas area is 0.9 · s Время активации поверхности при обтекании ударно-сжатым газом Activation time of plastic deformation area is 1 · s Время активации при пластической деформации поверхности в зоне контакта ε= l / l 0 p>>σд

Suggested was the following scheme of explosive welding 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. 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 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

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. 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.

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 Bimetallic microstructure Clad Metal Grade, dimensions, mm Seal strength, MPa Bending tests, angle degree Tear testShear testBending Lateral bending A-516 Gr70 + Ti Grade1 30(25+5)х3300х A-240 Tp321+Ti Grade1 55(50+5)х110Х A-106 GrB+ Ti Grade 1 38(30+8)х2700х More than 80 A-144 Gr E + AISI 410S 104(100+4)х1500х SA-29 Gr AISI Tp321 Forging

Explosive used for the explosive welding Смесь гранулированной микропористой аммиачной селитры с дизельным топливом в соотношении 96:4 обеспечивает: 1.Стабильность детонации крупногабаритных (2х8 м) плоских зарядов ВВ в толщинах мм со скоростью детонации 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 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 mm at a rate of detonation of 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

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 mm Clad layer thickness 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.