Способ получения композиционных изделий с внутренней полостью сваркой взрывом

Способ получения композиционных изделий с внутренней полостью сваркой взрывом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технологии получения изделий цилиндрической формы с помощью энергии взрыва и может быть использовано для изготовления изделий с внутренней полостью, например теплозащитых экранов, термического, химического оборудования и т.п.

Известен способ получения изделий с внутренними полостями путем взрывного нагружения, при котором берут полостеобразующие элементы в виде труб с удаляемым наполнителем и располагают их пучком в трубчатой оболочке симметрично относительно ее продольной оси, на наружной поверхности стальной трубчатой оболочки располагают кольцевой заряд взрывчатого вещества (ВВ) и производят инициирование процесса детонации ВВ с помощью электродетонатора. Перед сваркой в полости центрального полостеобразующего элемента размещают симметрично его продольной оси удаляемый стальной стержень, зазор между стержнем и полостеобразующим элементом заполняют удаляемым водным наполнителем, располагают на наружной поверхности центрального полостеобразующего элемента из стали вплотную друг к другу наружные медные полостеобразующие элементы в виде труб со слоем из легкоплавкого материала, например из латуни, на их наружных поверхностях размещают полученный пучок в трубчатой металлической оболочке из стали, удаляемой после взрывного воздействия. Процесс взрывного нагружения ведут при скорости детонации ВВ 3400-4060 м/с и отношении удельной массы ВВ к удельной массе стенки трубчатой оболочки, равном 0,72-0,86, причем после взрывного нагружения проводят термообработку полученной заготовки в течение 5-7 мин при температуре, превышающей на 5-15°С температуру плавления слоев из легкоплавкого материала на наружных полостеобразующих элементах с образованием при этом цельносварных соединений между всеми полостеобразующими элементами (Патент РФ №2373035, МПК B23K 20/08, опубл. 20.11.2009, бюл. №32).

Недостатком данного способа является низкая коррозионная стойкость наружной и внутренней поверхности изделий, получаемых данным способом, например, в хлоридах, а также высокое гидравлическое сопротивление внутренних полостей при пропускании через них жидкостей, низкое термическое сопротивление стенок полостеобразующих элементов при теплообмене с окружающей средой, а это весьма ограничивает применение таких изделий в технике.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ получения композиционных изделий с внутренними полостями сваркой взрывом, при котором берут полостеобразующие элементы в виде труб с удаляемым наполнителем и располагают их пучком в трубчатой оболочке симметрично относительно ее продольной оси, при этом на наружной поверхности трубчатой оболочки располагают кольцевой заряд ВВ и производят инициирование процесса детонации ВВ с помощью электродетонатора, центральный полостеобразующий элемент, удаляемый после сварки взрывом, выполняют из хрупкого материала - стекла, дробящегося в процессе взрывного воздействия, с отношением толщины его стенки к толщине стенок смежных с ним полостеобразующих элементов, составляющим (4-10):1, трубчатую оболочку выполняют из коррозионно-стойкого металла с пониженной теплопроводностью - титана, между трубчатой оболочкой и пучком из труб располагают трубчатую промежуточную прослойку из металла с пониженной теплопроводностью - из аустенитной стали. Сварку взрывом осуществляют при скорости детонации ВВ 3270-3820 м/с, при этом отношение удельной массы ВВ к сумме удельных масс стенок трубчатой оболочки и трубчатой промежуточной прослойки, а также сварочные зазоры между трубчатой оболочкой и трубчатой промежуточной прослойкой, между трубчатой промежуточной прослойкой и пучком из труб выбирают из условия получения скорости соударения трубчатой оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой в пределах 610-700 м/с, а скорости соударения трубчатой оболочки с полостеобразующими элементами - 480-680 м/с. (Патент РФ №2424883, МПК B23K 20/08, B23K 101/04, опубл. 27.07.2011, бюл. №21 - прототип).

Недостатком данного способа является низкая коррозионная стойкость внутренней поверхности получаемых изделий, например, в хлоридах, а также повышенное гидравлическое сопротивление внутренних полостей в расчете на единицу длины изделия при пропускании через них жидкостей-теплоносителей, возможность появления в процессе сварки взрывом в зоне соединения титана со сталью хрупких интерметаллидных фаз, снижающих долговечность изделия при эксплуатации в условиях частых теплосмен и динамических нагрузок, недостаточно высокое термическое сопротивление металлических слоев при теплообмене жидкостей-теплоносителей, располагаемых во внутренних полостях изделия с окружающей средой, а это весьма ограничивает применение таких изделий во многих технических устройствах ответственного назначения.

В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа получения композиционных изделий с внутренней полостью сваркой взрывом по новой технологической схеме взрывного воздействия на свариваемую заготовку, обеспечивающей получение за один технологический цикл цельносварного изделия с осевой симметрией, с повышенной коррозионной стойкостью не только его наружной, но и внутренней поверхности в агрессивных окружающих средах, например в хлоридах, с обеспечением при этом пониженного гидравлического сопротивления внутренней полости на единицу длины изделия при пропускании через нее жидкостей-теплоносителей, а также высокого термического сопротивления его многослойной стенки при теплообмене вещества, располагаемого в его внутренней полости с окружающей средой, полное исключение появления при сварке взрывом в зонах соединения металлических слоев хрупких интерметаллидных фаз, которые могли бы снизить долговечность изделия при эксплуатации в условиях частых теплосмен и динамических нагрузок.

Техническим результатом заявленного способа получения композиционных изделий с внутренней полостью сваркой взрывом является создание новой схемы сварки взрывом, обеспечивающей за один акт взрывного воздействия получение изделий с осевой симметрией, с получением качественного сплошного сварного соединения ниобиевого слоя трубчатой биметаллической оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой из меди, а также качественного сварного соединения указанной прослойки с ниобиевым слоем биметаллического полостеобразующего элемента в виде трубы без нарушений герметичности свариваемых металлов, с полным исключением возможности появления в процессе сварки взрывом в зонах соединения металлических слоев хрупких интерметаллидных фаз, снижающих долговечность изделия при эксплуатации в условиях частых теплосмен и динамических нагрузок, с обеспечением при этом пониженного гидравлического сопротивления внутренней полости на единицу длины изделия при пропускании через нее жидкостей-теплоносителей, а также высокого термического сопротивления его многослойной стенки при теплообмене вещества, располагаемого в его внутренней полости с окружающей средой.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения композиционных изделий с внутренней полостью сваркой взрывом, при котором используют удаляемый после сварки взрывом центральный полостеобразующий элемент из хрупкого материала - стекла с водным наполнителем в его внутренней полости, трубчатую оболочку и трубчатую промежуточную прослойку, располагают на наружной поверхности трубчатой оболочки кольцевой заряд взрывчатого вещества (ВВ) и инициируют процесс детонации ВВ с помощью электродетонатора, берут биметаллический полостеобразующий элемент в виде трубы с наружным слоем толщиной 0,8-1,2 мм из ниобия, с внутренним слоем толщиной 4-5 мм из титана и размещают внутри него соосно центральный полостеобразующий элемент из стекла с толщиной стенки 10-15 мм и с наружным диаметром, меньшим на 2-4 мм внутреннего диаметра биметаллического полостеобразующего элемента, заполняют промежуток между ними водным наполнителем, после герметизации полученную сборку располагают соосно внутри трубчатой биметаллической оболочки, выполненной с наружным слоем толщиной 3-4 мм из титана, с внутренним слоем толщиной 0,8-1,2 мм из ниобия, в зазоре между ними соосно размещают трубчатую промежуточную прослойку из меди с толщиной стенки 1,5-2,5 мм, сварку взрывом ведут при скорости детонации ВВ 2400-3100 м/с, при этом толщину заряда ВВ и сварочные зазоры между свариваемыми металлическими слоями выбирают из условия получения скорости соударения ниобиевого слоя трубчатой биметаллической оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой из меди в пределах 560-670 м/с, а скорости соударения трубчатой промежуточной прослойки из меди с ниобиевым слоем биметаллического трубчатого полостеобразующего элемента в пределах 480-570 м/с.

Предлагаемый способ получения композиционных изделий с внутренней полостью сваркой взрывом имеет существенные отличия по сравнению с прототипом как по построению схемы сварки взрывом, так и по совокупности технологических приемов и режимов при его осуществлении. Так предложено использовать в схеме сварки взрывом биметаллический полостеобразующий элемент в виде трубы с наружным слоем толщиной 0,8-1,2 мм из ниобия, с внутренним слоем толщиной 4-5 мм из титана. Его внутренний титановый слой обеспечивает у получаемого изделия повышенную коррозионную стойкость внутренней поверхности в условиях агрессивных сред, например в хлоридах, а также совместно с остальными металлическими слоями высокую прочность изготовленного изделия и его высокие теплозащитные свойства. Толщина этого слоя менее 4 мм не обеспечивает у изделия необходимого уровня термического сопротивления, а также прочностных свойств при поперечных сжимающих нагрузках, а его толщина более 5 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу дорогостоящего титана в расчете на одно изделие. Наружный ниобиевый слой биметаллического полостеобразующего элемента обеспечивает возможность получения качественного сварного соединения с трубчатой промежуточной прослойкой из меди без появления в зоне соединения металлов непроваров, хрупких интерметаллидов и других дефектов. Совместно с другими металлическими слоями этот слой способствует формированию высокой прочности изделия при поперечных сжимающих нагрузках, а также высокого термического сопротивления стенки изделия при направлении теплопередачи поперек слоев. Его толщина менее 0,8 мм затрудняет получение качественных изделий без неконтролируемых деформаций при сварке взрывом, а его толщина более 1,2 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу дорогостоящего ниобия в расчете на одно изделие.

Предложено размещать соосно внутри биметаллического полостеобразующего элемента центральный полостеобразующий элемент из стекла с толщиной стенки 10-15 мм и с наружным диаметром, меньшим на 2-4 мм внутреннего диаметра биметаллического полостеобразующего элемента и заполнять промежуток между ними водным наполнителем. В процессе сварки взрывом центральный полостеобразующий элемент совместно с водным наполнителем выполняет функции динамической опоры, исключающей недопустимые радиальные по направлению к центру изделия деформации биметаллического полостеобразующего элемента, способствует формированию внутренней полости в изделии требуемого диаметра с гладкой цилиндрической поверхностью. При толщине его стенки менее 10 мм возможно его преждевременное разрушение в процессе сварки взрывом, приводящее к снижению качества получаемых изделий. Толщина его стенки более 15 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу материала на изготовление центрального полостеобразующего элемента. Наружный диаметр центрального полостеобразующего элемента предложено выполнять меньшим на 2-4 мм внутреннего диаметра биметаллического полостеобразующего элемента, что обеспечивает необходимый технологический промежуток между ними для заполнения его водным наполнителем. При диаметре центрального полостеобразующего элемента ниже нижнего предлагаемого предела возможно появление неконтролируемых деформаций внутренней поверхности титанового слоя, а это снижает качество получаемых изделий. При его диаметре выше верхнего предлагаемого предела затруднено заполнение водным наполнителем промежутка между ним и титановым слоем биметаллического полостеобразующего элемента, что также может привести к появлению неконтролируемых деформаций внутренней поверхности титанового слоя биметаллического полостеобразующего элемента.

Предложено после герметизации полученную сборку располагать соосно внутри трубчатой биметаллической оболочки, выполненной с наружным слоем толщиной 3-4 мм из титана, с внутренним слоем толщиной 0,8-1,2 мм из ниобия, в зазоре между ними соосно размещать трубчатую промежуточную прослойку из меди с толщиной стенки 1,5-2,5 мм.

Соблюдение соосности способствует стабильности процесса сварки взрывом всех свариваемых металлических слоев. Наружный титановый слой трубчатой биметаллической оболочки обеспечивает высокую коррозионную стойкость наружной поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например в хлоридах. Благодаря низкой теплопроводности титана он способствует существенному повышению термического сопротивления стенки получаемого композиционного изделия при направлении теплопередачи поперек слоев, а также совместно с остальными слоями повышению его прочности при поперечных сжимающих нагрузках. Кроме того, низкая плотность обоих титановых слоев способствует существенному снижению массы получаемого изделия. Толщина наружного титанового слоя трубчатой биметаллической оболочки, равная 3-4 мм, обеспечивает у получаемого изделия необходимое высокое термическое сопротивление, а также высокую прочность при поперечных сжимающих нагрузках. Его толщина менее 3 мм не обеспечивает у изделия необходимого высокого уровня термического сопротивления, а также высоких прочностных свойств при поперечных сжимающих нагрузках, а его толщина более 4 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу дорогостоящего титана в расчете на одно изделие.

Предложено внутренний ниобиевый слой трубчатой биметаллической оболочки выполнять толщиной 0,8-1,2 мм. Этот слой выполняет те же функции, что и наружный ниобиевый слой биметаллического полостеобразующего элемента: обеспечивает возможность получения качественного сварного соединения с трубчатой промежуточной прослойкой из меди без появления в зоне соединения металлов непроваров, хрупких интерметаллидов и других дефектов. Совместно с другими металлическими слоями этот слой способствует формированию высокой прочности изделия при поперечных сжимающих нагрузках, а также высокого термического сопротивления стенки изделия при направлении теплопередачи поперек слоев. Его толщина менее 0,8 мм затрудняет получение качественных изделий без неконтролируемых деформаций при сварке взрывом, а его толщина более 1,2 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу дорогостоящего ниобия в расчете на одно изделие.

Предложено использовать в схеме сварки взрывом трубчатую промежуточную прослойку из меди, поскольку в зонах соединения ее с обоими ниобиевыми слоями ни при сварке взрывом, ни при последующей эксплуатации не возникает нежелательных хрупких фаз, снижающих служебные свойства изделий, полученных по предлагаемому способу. Кроме того, этот слой способствует благоприятному распределению температуры по длине полученного изделия при воздействии на его наружную либо внутреннюю поверхность концентрированных источников нагрева. Предложено трубчатую промежуточную прослойку выполнять с толщиной стенки 1,5-2,5 мм, поскольку ее толщина менее 1,5 мм затрудняет получение качественных изделий без неконтролируемых деформаций при сварке взрывом, а ее толщина более 2,5 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу меди в расчете на одно изделие. Использование в схеме сварки взрывом трубчатой биметаллической оболочки, а также биметаллического полостеобразующего элемента позволяет обеспечить высокое качество сварки на всех межслойных границах.

Предложено сварку взрывом вести при скорости детонации ВВ 2400-3100 м/с, при этом толщину заряда ВВ и сварочные зазоры между свариваемыми металлическими слоями выбирать из условия получения скорости соударения ниобиевого слоя трубчатой биметаллической оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой из меди в пределах 560-670 м/с, а скорости соударения трубчатой промежуточной прослойки из меди с ниобиевым слоем биметаллического трубчатого полостеобразующего элемента в пределах 480-570 м/с, что обеспечивает получение качественных сварных соединений трубчатой промежуточной прослойки из меди с внутренним ниобиевым слоем трубчатой биметаллической оболочки и с наружным ниобиевым слоем биметаллического полостеобразующего элемента. При скорости детонации ВВ и скорости соударения ниобиевого слоя трубчатой биметаллической оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой, а также скорости соударения последней с ниобиевым слоем биметаллического трубчатого полостеобразующего элемента ниже нижнего предлагаемого предела возможно получение некачественных сварных соединений, что может существенно снизить служебные свойства полученных изделий. При скорости детонации ВВ и скоростях соударения указанных выше составляющих схемы сварки взрывом выше верхних предлагаемых пределов возможны неконтролируемые деформации трубчатой биметаллической оболочки, трубчатой промежуточной прослойки и трубчатого биметаллического полостеобразующих элемента, что может привести к нарушению герметичности металлических слоев, снижению качества получаемых изделий.

На фиг. 1 изображена схема сварки взрывом, ее продольный осевой разрез, на фиг. 2 - поперечное сечение А-А схемы сварки взрывом, на фиг. 3 - поперечное сечение сваренного композиционного изделия с внутренней полостью, где позиция 23, 24 - сдеформированные титановый и ниобиевый слои трубчатой биметаллической оболочки соответственно; 25 - сдеформированная трубчатая промежуточная прослойка из меди; 26, 27 - ниобиевый и титановый слои биметаллического полостеобразующего элемента соответственно; 28 - внутренняя полость изделия; 29, 30 - зоны сварки, полученные при осуществлении способа.

Предлагаемый способ получения композиционных изделий с внутренней полостью сваркой взрывом осуществляется в следующей последовательности. Берут предварительно изготовленный, например, с помощью сварки взрывом биметаллический полостеобразующий элемент в виде трубы с наружным слоем 1 толщиной 0,8-1,2 мм из ниобия, с внутренним слоем 2 толщиной 4-5 мм из титана и размещают внутри него соосно удаляемый центральный полостеобразующий элемент 3 из стекла с толщиной стенки 10-15 мм, с наружным диаметром, меньшим на 2-4 мм внутреннего диаметра биметаллического полостеобразующего элемента. Предварительно его внутреннюю полость заполняют водным наполнителем 4, а герметизацию с двух его сторон производят заглушками 5, 6, например, из резины.

Заполняют промежуток между внутренней поверхностью биметаллического полостеобразующего элемента и наружной поверхностью центрального полостеобразующего элемента водным наполнителем 7, герметизацию и соосность обеспечивают с помощью металлических втулок 8, 9, покрытых герметиком. Полученную сборку располагают соосно внутри трубчатой биметаллической оболочки, выполненной с наружным слоем 10 толщиной 3-4 мм из титана, с внутренним слоем 11 толщиной 0,8-1,2 мм из ниобия, в зазоре между ними соосно размещают трубчатую промежуточную прослойку 12 из меди с толщиной стенки 1,5-2,5 мм, их соосность обеспечивают с помощью металлических втулок 13, 14, 15 и 16. Устанавливают направляющий конус 17, например, из стали с углом при вершине 90°, на наружной поверхности трубчатой оболочки размещают защитную прослойку, например, из резины (на чертеже не показана), защищающую наружную поверхность трубчатой оболочки от повреждений продуктами детонации ВВ, а на ее поверхности располагают контейнер 18 с основным кольцевым зарядом ВВ 19 и расположенным над ним вспомогательным зарядом ВВ 20 с повышенной скоростью детонации. Этот заряд способствует выравниванию фронта детонации в основном заряде ВВ. Размещают данную сборку на песчаном грунте 21 и инициируют процесс детонации в зарядах ВВ с помощью электродетонатора 22.

При осуществлении процесса сварки взрывом используют основной заряд ВВ со скоростью детонации 2400-3100 м/с, при этом толщину заряда ВВ и сварочные зазоры между свариваемыми металлическими слоями выбирают из условия получения скорости соударения ниобиевого слоя трубчатой биметаллической оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой из меди в пределах 560-670 м/с, а скорости соударения трубчатой промежуточной прослойки из меди с ниобиевым слоем биметаллического трубчатого полостеобразующего элемента в пределах 480-570 м/с.

При взрывном воздействии происходит высокоскоростная радиальная деформация трубчатой биметаллической оболочки, при соударении ее ниобиевого слоя с трубчатой промежуточной прослойкой ниобий сваривается с медью, затем происходит совместное деформирование образовавшегося трехслойного композита (КМ) и при его соударении с наружной поверхностью биметаллического полостеобразующего элемента медный слой КМ сваривается с ниобиевым слоем биметаллического полостеобразующего элемента. Извлекают из внутренней полости сваренной заготовки материал раздробленного центрального полостеобразующего элемента, при этом водный наполнитель удаляется из полостей после взрывного нагружения самопроизвольно при разгрузке сжатой системы. После этого удаляют механической обработкой торцевые части полученной заготовки с краевыми эффектами.

В результате за один акт взрывного воздействия получают цельносварное композиционное изделие с центральной внутренней полостью цилиндрической формы, без нарушений осевой симметрии и герметичности металлических слоев, с полным исключением при этом даже возможности появления в процессе сварки взрывом в зонах сварки металлических слоев хрупких интерметаллидных фаз, которые могли бы снизить долговечность изделия при эксплуатации в условиях частых теплосмен и динамических нагрузок, с обеспечением при этом пониженного в сравнении с прототипом гидравлического сопротивления внутренней полости на единицу длины изделия при пропускании через нее жидкостей-теплоносителей, а также более высокого, чем у изделий по прототипу, термического сопротивления его многослойной стенки при теплообмене веществ, располагаемых в его внутренней полости с окружающей средой. При этом также обеспечивается повышенная стойкость наружной и внутренней поверхности изделия в агрессивных средах, например в хлоридах.

Пример 1 (см. также таблицу)

Биметаллический полостеобразующий элемент (БПЭ) в виде трубы изготавливают, например, с помощью сварки взрывом, с наружным диаметром D_б.н=92,4 мм, внутренним - D_б.в=80 мм, длиной 400 мм с наружным слоем толщиной δ₁=1,2 мм - из ниобия марки ВН2 (ОСТ190023-71), его коэффициент теплопроводности λ_Nb=52 Вт/(м⋅К). Его внутренний слой толщиной δ₂=5 мм изготавливают из коррозионно-стойкого металла с пониженной теплопроводностью - титана ВТ1-00 (ГОСТ 19807-91), с коэффициентом теплопроводности λ_Ti=19,3 Вт/(м⋅К).

Центральный полостеобразующий элемент (ЦПЭ), удаляемый после сварки взрывом, изготавливают из стекла (ГОСТ 15130-79) с наружным диаметром D_ц.н=78 мм, что на 2 мм меньше внутреннего диаметра D_б.в биметаллического полостеобразующего элемента. Его внутренний диаметр D_ц.в=58 мм, толщина стенки δ_ц=10 мм. Заполняют его внутреннюю полость удаляемым после сварки взрывом водным наполнителем, а герметизацию осуществляют с помощью резиновых заглушек. Полученную при этом сборку №1 размещают соосно внутри БПЭ. Заполняют промежуток между внутренней поверхностью БПЭ и наружной поверхностью ЦПЭ водным наполнителем, герметизацию и соосность обеспечивают с помощью металлических втулок, покрытых герметиком. Полученную при этом сборку №2 располагают соосно внутри трубчатой биметаллической оболочки (ТБО), а в зазоре между ними соосно размещают трубчатую промежуточную прослойку (ТПП). Наружный диаметр ТБО D_о.н=125,8 мм, внутренний - D_о.в=115,4 мм, длина - 405 мм. Наружный слой ТБО толщиной δ₃=4 мм – из титана ВТ1-00, ее внутренний слой толщиной δ₄=1,2 мм - из ниобия ВН2.

Трубчатую промежуточную прослойку (ТПП) изготавливают из меди M1 (ГОСТ 859-78), имеющей коэффициент теплопроводности λ_Cu=410 Вт/(м⋅К). Ее наружный диаметр D_п.н=109,4 мм, внутренний - D_п.в=104,4 мм, толщина стенки δ_п=2,5 мм, длина - 400 мм.

Соосность ТБО, ТПП, а также сборки №2 обеспечивают с помощью металлических втулок. При выбранных диаметрах ТБО, ТПП и БПЭ необходимый сварочный зазор между внутренней поверхностью ТБО и наружной поверхностью ТПП h₁=3 мм, а сварочный зазор между внутренней поверхностью ТПП и наружной поверхностью БПЭ h₂=6 мм. Устанавливают направляющий конус из стали Ст3 с углом при вершине 90°, на наружной поверхности ТБО размещают защитную прослойку из резины толщиной около 1 мм, защищающую наружную поверхность ТБО от повреждений продуктами детонации ВВ, а на ее поверхности располагают контейнер из электрокартона с основным кольцевым зарядом ВВ и расположенным над ним вспомогательным зарядом ВВ с повышенной скоростью детонации (аммонит 6ЖВ). Этот заряд способствует выравниванию фронта детонации в основном заряде ВВ. Размещают данную сборку на песчаном грунте и инициируют процесс детонации в зарядах ВВ с помощью электродетонатора.

При осуществлении процесса сварки взрывом используют основной заряд ВВ, в качестве которого использовали смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:4. Его наружный диаметр d_н=428 мм, внутренний - d_в=128 мм, толщина в районе расположения трубчатой оболочки Т_вв=150 мм, плотность П_вв=0,97-0,98 г/см³, скорость детонации Д_вв=2400 м/с, общая длина - 510 мм вместе с вспомогательным зарядом ВВ, имеющим толщину 20 мм. При выбранных параметрах схемы сварки взрывом скорость соударения ниобиевого слоя ТБО с ТПП из меди оставляет V₁=560 м/с, а ТПП с ниобиевым слоем БПЭ V₂=480 м/с. Скорости соударения V₁ и V₂ определяются расчетным путем с помощью компьютерной технологии. Извлекают из внутренней полости сваренной заготовки материал раздробленного центрального полостеобразующего элемента. Водный наполнитель удаляется из полостей после взрывного нагружения самопроизвольно при разгрузке сжатой системы. После этого удаляют механической обработкой торцевые части полученной заготовки с краевыми эффектами - по 20 мм с каждой стороны.

В результате за один акт взрывного воздействия получают цельносварное композиционное пятислойное изделие с центральной внутренней полостью цилиндрической формы без нарушений осевой симметрии и герметичности металлических слоев, без появления в процессе сварки взрывом в зонах сварки металлических слоев хрупких интерметаллидных фаз, которые могли бы снизить долговечность изделия при эксплуатации в условиях частых теплосмен и динамических нагрузок. Наружный диаметр полученного изделия - 110 мм, внутренний - 80 мм, толщина наружного титанового слоя - 4,6 мм, смежного с ним ниобиевого - 1,4 мм, смежного с ним медного - 2,6 мм, смежного с ним ниобиевого - 1,4 мм, внутреннего титанового - 5 мм, длина изделия - 360 мм. Гидравлическое сопротивление его внутренней полости, приходящееся на единицу длины изделия при пропускании через нее жидкостей-теплоносителей, оцениваемое по величине потери давления (напора), в 3,9-5,2 раза меньше, чем у изделий по прототипу, а термическое сопротивление его пятислойной стенки (R_сум) при направлении теплопередачи поперек слоев, определяемое как сумма термических сопротивлений каждого из слоев (отношение толщины слоя к коэффициенту его теплопроводности), равно R_сум=553,7⋅10^-6 К/(Вт/м²), что в 1,9-2,2 раза больше, чем у изделий, полученных по прототипу, при этом также обеспечивается повышенная стойкость наружной и внутренней поверхности изделия в агрессивных средах, например в хлоридах.

Пример 2 (см. также таблицу)

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения.

БПЭ в виде трубы изготавливают с наружным диаметром D_б.н=101 мм, внутренним - D_б.в=90 мм, с наружным слоем толщиной δ₁=1 мм, с внутренним слоем толщиной δ₂=4,5 мм.

ЦПЭ изготавливают с наружным диаметром D_ц.н=87 мм, что на 3 мм меньше внутреннего диаметра D_б.в биметаллического полостеобразующего элемента. Его внутренний диаметр D_ц.в=63 мм, толщина стенки δ_ц=12 мм.

ТБО изготавливают с наружным диаметром D_о.н=127,2 мм, внутренним - D_о.в=118,2 мм. Наружный слой ТБО выполняют толщиной δ₃=3,5 мм, у внутреннего слоя толщина δ₄=1 мм.

ТПП изготавливают с наружным диаметром D_п.н=113 мм, внутренним - D_п.в=109 мм, толщина ее стенки δ_п=2 мм.

При выбранных диаметрах ТБО, ТПП и БПЭ необходимый сварочный зазор между внутренней поверхностью ТБО и наружной поверхностью ТПП h₁=2,6 мм, а сварочный зазор между внутренней поверхностью ТПП и наружной поверхностью БПЭ h₂=4 мм. При осуществлении процесса сварки взрывом в качестве основного заряда ВВ использовали смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:3. Его наружный диаметр d_н=429 мм, внутренний - d_в=129 мм, толщина Т_вв=150 мм, плотность П_вв=0,96-0,97 г/см³, скорость детонации Д_вв=2600 м/с. При выбранных параметрах схемы сварки взрывом скорость соударения ниобиевого слоя ТБО с ТПП из меди оставляет V₁=610 м/с, а ТПП с ниобиевым слоем БПЭ V₂=520 м/с.

Результаты те же, что и в примере 1, но получают цельносварное композиционное изделие с наружным диаметром - 115 мм, внутренним - 90 мм, толщина наружного титанового слоя - 3,8 мм, смежного с ним ниобиевого -1,1 мм, смежного с ним медного - 2,1 мм, смежного с ним ниобиевого - 1 мм, внутреннего титанового - 4,5 мм. Гидравлическое сопротивление его внутренней полости, приходящееся на единицу длины изделия при пропускании через нее жидкостей - теплоносителей в 6,2-8,3 раза меньше, чем у изделий по прототипу, а термическое сопротивление его пятислойной стенки при направлении теплопередачи поперек слоев R_сум=474,4⋅10^-6 К/(Вт/м²), что в 1,6-1,9 раза больше, чем у изделий, полученных по прототипу.

Пример 3 (см. также таблицу)

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения.

БПЭ в виде трубы изготавливают с наружным диаметром D_б.н=109,6 мм, внутренним - D_б.в=100 мм, с наружным слоем толщиной δ₁=0,8 мм, с внутренним слоем толщиной δ₂=4 мм.

ЦПЭ изготавливают с наружным диаметром D_ц.н=96 мм, что на 4 мм меньше внутреннего диаметра D_б.в биметаллического полостеобразующего элемента. Его внутренний диаметр D_ц.в=66 мм, толщина стенки δ_ц=15 мм.

ТБО изготавливают с наружным диаметром D_о.н=127,6 мм, внутренним - D_о.в=120 мм. Наружный слой ТБО выполняют толщиной δ₃=3 мм, у внутреннего слоя толщина δ₄=0,8 мм.

ТПП изготавливают с наружным диаметром D_п.н=116,6 мм, внутренним - D_п.в=113,6 мм, толщина ее стенки δ_п=1,5 мм.

При выбранных диаметрах ТБО, ТПП и БПЭ необходимый сварочный зазор между внутренней поверхностью ТБО и наружной поверхностью ТПП h₁=1,7 мм, а сварочный зазор между внутренней поверхностью ТПП и наружной поверхностью БПЭ h₂=2 мм. При осуществлении процесса сварки взрывом в качестве основного заряда ВВ использовали смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:2. Его наружный диаметр d_н=430 мм, внутренний - d_в=130 мм, толщина Т_вв=150 мм, плотность П_вв=0,92-0,95 г/см³, скорость детонации Д_вв=3100 м/с. При выбранных параметрах схемы сварки взрывом скорость соударения ниобиевого слоя ТБО с ТПП из меди оставляет V₁=670 м/с, а ТПП с ниобиевым слоем БПЭ V₂=570 м/с.

Результаты те же, что и в примере 1, но получают цельносварное композиционное изделие с наружным диаметром - 120,8 мм, внутренним - 100 мм, толщина наружного титанового слоя - 3,1 мм, смежного с ним ниобиевого - 0,9 мм, смежного с ним медного - 1,6 мм, смежного с ним ниобиевого - 0,8 мм, внутреннего титанового - 4 мм. Гидравлическое сопротивление его внутренней полости, приходящееся на единицу длины изделия при пропускании через нее жидкостей-теплоносителей в 9,5-12,6 раза меньше, чем у изделий по прототипу, а термическое сопротивление его пятислойной стенки при направлении теплопередачи поперек слоев R_сум=404,5⋅10^-6 К/(Вт/м²), что в 1,4-1,6 раза больше, чем у изделий, полученных по прототипу.

В изделиях, изготовленных по прототипу (см. таблицу, пример 4), получают цельносварные изделия с центральной внутренней полостью цилиндрической формы и с двенадцатью полостями, имеющими в поперечных сечениях форму криволинейного четырехугольника. Их наружная оболочка выполнена из коррозионно-стойкого металла с пониженной теплопроводностью - титана ВТ1-00, промежуточная прослойка - из стали 12Х18Н10Т, а полостеобразующие элементы - из меди M1.

В каждом таком изделии суммарное гидравлическое сопротивление всех внутренних полостей, приходящееся на единицу длины изделия при одновременном пропускании через них жидкостей-теплоносителей, в 3,9-12,6 раза больше, чем у изделий по предлагаемому способу, а термическое сопротивление трехслойной стенки из меди, стали и титана при направлении теплопередачи поперек слоев R_сум=(254,4-294,7)⋅10^-6 К/(Вт/м²), что в 1,4-2,2 раза меньше, чем у изделий, полученных по предлагаемому способу. Кроме того, внутренние поверхности изделий по прототипу не обладают стойкостью в агрессивных средах, например в хлоридах.

Способ получения композиционных изделий с внутренней полостью сваркой взрывом, при котором используют удаляемый после сварки взрывом центральный полостеобразующий элемент из хрупкого материала - стекла с водным наполнителем в его внутренней полости, трубчатую оболочку и трубчатую промежуточную прослойку, располагают на наружной поверхности трубчатой оболочки кольцевой заряд взрывчатого вещества (ВВ) и инициируют процесс детонации ВВ с помощью электродетонатора, отличающийся тем, что берут биметаллический полостеобразующий элемент в виде трубы с наружным слоем толщиной 0,8-1,2 мм - из ниобия, с внутренним слоем толщиной 4-5 мм - из титана и размещают внутри него соосно центральный полостеобразующий элемент из стекла с толщиной стенки 10-15 мм и с наружным диаметром, меньшим на 2-4 мм внутреннего диаметра биметаллического полостеобразующего элемента, заполняют промежуток между ними водным наполнителем, после герметизации полученную сборку располагают соосно внутри трубчатой биметаллической оболочки, выполненной с наружным слоем толщиной 3-4 мм - из титана, с внутренним слоем толщиной 0,8-1,2 мм - из ниобия, в зазоре между ними соосно размещают трубчатую промежуточную прослойку из меди с толщиной стенки 1,5-2,5 мм, сварку взрывом ведут при скорости детонации ВВ 2400-3100 м/с, при этом толщину заряда ВВ и сварочные зазоры между свариваемыми металлическими слоями выбирают из условия получения скорости соударения ниобиевого слоя трубчатой биметаллической оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой из меди в пределах 560-670 м/с, а скорости соударения трубчатой промежуточной прослойки из меди с ниобиевым слоем биметаллического трубчатого полостеобразующего элемента в пределах 480-570 м/с.