Молекулы режут штампуют, сваривают, упрочняют...

Блестящие технологические качества взрыва - быстродействие, простота оборудования, колоссальная мощность при малых размерах заряда взрывчатого вещества - открыли ему широкую дорогу на металлургические и машиностроительные предприятия. Оказалось, что порох, тротил и взрывчатые газовые смеси могут стать универсальным инструментом, способным облегчить и ускорить чуть ли не каждый шаг на пути превращения металла в готовое изделие. При взрыве бризантных (быстродействующих) веществ выделяется огромная энергия, начальное давление ударной волны - более 10 гектопаскалей. Такое давление способно за доли секунды произвести любую, даже самую существенную, деформацию металла.

Попробуем описать один из видов обработки металла, использующий химическую энергию, заключенную в молекулах взрывчатых веществ.

Перед нами промышленная установка импульсного действия - чудо-пушка, которая, как показала практика, с успехом заменяет прессы, молоты и другое громоздкое оборудование.

Главная часть установки - направляющий цилиндр, напоминающий ствол 122-миллиметровой гаубицы. На конце этого ствола закреплена казенная часть противотанковой пушки, она и призвана служить взрывной камерой. С другой стороны ствола установлен шток с ножом - основной инструмент, разрезающий металл. Вследствие отдачи, возникающей при выстреле пушки, приходит в движение встречный нож, закрепленный на подвижном штоке.

Как же действует такая установка? В казенную часть пушки вставляется патрон, наполненный пороховым зарядом. Пушка готова к работе. А когда из кристаллизатора установки для непрерывной разливки стали начинает выползать раскаленный слиток, раздается короткая команда, и за ней - выстрел...

Взрыв пороха в камере создает большое давление. Энергия взрыва мгновенно передается на специальное устройство, из пушки вылетает цилиндрический шток с острой секирой на конце. А навстречу ему, вследствие отдачи,- другая точно такая же секира, закрепленная на опорной части копира.

Пушка, стреляющая двумя вылетающими навстречу друг другу секирами, мгновенно перебивает, "перекусывает" стальной слиток. Благодаря остроумной конструкции пушки, энергия взрывной волны легко гасится и не передается на установку непрерывной разливки стали.

И все это происходит в одну сотую долю секунды. Проведя необходимую подготовку, выстрел можно повторить через несколько секунд.

Такие импульсные установки надежно служат металлургам и машиностроителям. Они режут любую сталь сечением 220 X 220 миллиметров. Импульсные установки могут действовать как в горизонтальном, так и в вертикальном положении.

Каждый из эксплуатируемых блюмингов и слябингов примерно десятую часть времени выполняет практически ненужную работу. Ведь у всех слитков имеется так называемая прибыльная часть, составляющая примерно 20 процентов массы. Удалить ее с массивного раскаленного слитка очень трудно, поэтому обычно слиток сначала 15-20 раз прогоняют через валки. Импульсная установка сделает это мгновенно. В результате масса слитков значительно уменьшится, а это, в свою очередь, сократит цикл прокатки и расход электроэнергии, позволит пропустить через каждый блюминг на сотни тысяч тонн стали больше.

Взрывная резка металла имеет и еще одно большое преимущество. Быстрота процесса, протекающего доли секунды, позволяет рассекать заготовки, движущиеся с любой скоростью. А так как скорость прокатки в значительной степени ограничивают существующие средства раскроя движущегося металла, то взрывные копры дают возможность резко ускорить работу автоматизированных заготовительных, сортовых трубопрокатных станов.

Взрывная резка эффективна и в литейных цехах для удаления прибылей, достигающих иногда сотен килограммов.

Взрывную резку сегодня широко применяют и в заготовительных цехах. Она значительно ускоряет многие процессы заготовительных операций. Многие заготовки из алюминия, меди, бронзы и других металлов взрывные копры могут рубить в холодном состоянии.

Есть и еще одна оригинальная разновидность взрывной резки. Это резка так называемым газовым пуансоном. Она получает все большее распространение при раскрое холодных листов и проката. С помощью газового пуансона можно резать и профили самых причудливых форм: открытые, закрытые, трубные.

До сих пор мы говорили главным образом о взрывной резке металла, но энергию взрыва можно использовать для решения и многих других, не менее сложных проблем. Разработаны взрывные методы ускорения твердых частиц до скоростей 10-15 километров в секунду. С помощью взрывов научились получать мощные магнитные поля, которые не удается создать никакими другими способами. Взрыв используется и для нанесения упрочняющих покрытий. В Институте гидродинамики Сибирского отделения Академии наук СССР создана специальная автоматизированная детонационная установка "АДУ - Обь". По внешнему виду она чем-то напоминает пушку, а по принципу действия - скорее, двигатель. И это впечатление усиливает обычная автомобильная свеча, которая ввернута в ствол установки. Электрическая искра взрывает здесь газовую смесь, которая разгоняет напыляемые частицы. Когда эта установка начинает работать, то кажется, что стреляет скорострельная зенитная пушка. Она производит 25 выстрелов в минуту. Каждый из них создает 2,5 микрометра покрытия, которое намертво сцепляется со сталью. И достаточно тонкого слоя такого покрытия, чтобы сталь стала более стойкой к истиранию или к воздействию агрессивных сред.

Область применения импульсных установок стала настолько обширна, что уже можно сказать: взрыв стал универсальным орудием технолога! Он не только может разъединять, но и соединять металл, не только резать, но и сваривать его. Сверхбыстроходный молот, приводимый в движение энергией взрыва, может вести ковку и штамповку...

Запрессовка труб - самый тяжелый, трудоемкий и в то же время наиболее ответственный процесс изготовления парогенераторов и других теплообменников для атомных электростанций. В иных теплообменниках насчитывается до 11 тысяч труб, и каждую закрепляют с двух концов. Тут нужны высокие точность и надежность. И взрывная технология отвечает этим требованиям.

Существуют десятки совершенно непохожих друг на друга технологических процессов, объединяемых общим названием "сварка". И вот к ним добавился еще один вид - сварка взрывом: два куска металла, мгновенно сжатые огромным усилием взрыва, образуют прочное соединение. Прочность шва при этом не только не уступает прочности лучших сварных соединений, но и превосходит его. Взрывную сварку лучше всего вести в вакууме, в этом случае взрыву не приходится преодолевать неподатливую воздушную подушку между свариваемыми деталями, наличие которой снижает качество шва.

С помощью взрывной сварки можно прочно соединять плоские металлические листы. Соединяемые листы ставят под небольшим углом на определенном расстоянии друг от друга. Внешнюю поверхность одного из них покрывают амортизирующим слоем из резины или пластмассы, а сверху наносят взрывчатое вещество. Запал взрывают. Металл соединяется с огромной скоростью. Диффузионные процессы не успевают произойти, и соединение получается очень прочным. Получающаяся при этом микроволнистость металла, словно застежка-молния, соединяет металл, обеспечивая сцепление огромной прочности. Наиболее ценные качества такой сварки заключаются в том, что она дает возможность сваривать друг с другом самые разнородные металлы и сплавы в несколько слоев. Так были получены образцы Из титана, циркония, тантала и стали. Во время испытаний их перегибали на 180 градусов, и никогда цельность спая не нарушалась. Основной металл разрушался раньше, чем шов.

Исследования показали также, что взрыв не только сваривает листы, но и легирует металл. Как правило, вблизи шва образуется зона нового сплава.

Взрывная технология, хотя и родилась недавно, но уже начинает по-настоящему конкурировать с самыми совершенными методами металлообработки. Созданы экономичные и компактные прессы для холодной листовой штамповки, а также кузнечные молоты, использующие колоссальную энергию взрыва. В десятитысячную долю секунды изготавливается деталь, которую пресс огромной мощности выжимал бы в несколько приемов.

Используя энергию взрыва, можно вообще обойтись и без прессов и молотов. Это особенно важно при изготовлении из листа деталей больших размеров: днищ котлов, крышек химических аппаратов и т. д. Технология такой штамповки нетрудоемка и проста. При этом не требуется и сложное оборудование: достаточно железобетонного блока, в нижней части которого имеется матрица с полостью по форме детали, и крышки с вмонтированным в нее патронником. Патронник заряжается обычным охотничьим порохом. Между крышкой и матрицей устанавливается специальная прокладка и металлический лист - заготовка. При ударе по капсюлю порох взрывается, в полости между листом и крышкой развивается высокое давление газов, которое и вгоняет заготовку в матрицу. Причем чем заготовка толще, тем проще ее штамповать. Детали при такой штамповке получаются высококачественными: точными по размерам, без трещин и гофров.

Оригинальные методы взрывной штамповки разработали ленинградские ученые и инженеры. Энергию взрыва они использовали для деформации жаростойких материалов, титановых сплавов. Ведь заготовки из этих материалов вследствие низких теплопроводности и пластичности часто рвутся и трескаются. Отштамповать из них более или менее сложную деталь можно только постепенно, после многочисленных переходов. А между переходами деталь надо каждый раз подвергать термообработке, например отжигу.

При взрывной штамповке этого удается избежать. Мгновенно нарастающие колоссальные давления меняют сами свойства металла. Хрупкие, плохо деформируемые материалы начинают течь, как жидкость, послушно заполняя самые мелкие углубления матрицы. Сложную деталь без разрывов и трещин часто удается получать в результате одного взрыва.

В последнее время более широкое применение для деформации и штамповки самых неподатливых и высокопрочных сплавов нашли подводные взрывы. Давление ударной волны в жидкости в несколько десятков раз выше, чем в воздухе, к тому же подводный взрыв гораздо безопаснее. Благодаря несжимаемости воды случайное разрушение формы или заготовки, как правило, не сопровождается разлетом осколков.

Штамповку подводным взрывом осуществляют следующим образом. Матрицу накрывают заготовкой, тщательно скрепляют их и помещают в глубокий бассейн. Затем опускают в воду небольшой заряд тротила и взрывают его. Ударная волна в доли секунды вгоняет заготовку в матрицу.

Экспериментальные работы по использованию энергии взрыва для деформации металла показали, что не только взрывчатые вещества обладают энергией, достаточной для скоростного формирования изделий. В качестве энергоносителя можно использовать и сжиженный газ. Ученые путем длительных опытов установили, что некоторые стали, алюминиевые сплавы, латунь и другие металлы становятся мягче не только при нагреве, но и при глубоком охлаждении. Остудив стальной лист жидким азотом (температура кипения-196 градусов Цельсия), можно штамповать из него детали самой сложной формы.

Продолжая опыты со сжиженным газом, ученые убедились также и в том, что эти газы даже при комнатной температуре испаряются практически мгновенно, в сотни раз увеличивая свой объем. Так как действие обычных взрывчатых веществ основано на быстром увеличении объема образующихся газов, то, значит, жидкий воздух или азот могут заменить порох.

На некоторых промышленных предприятиях широко применяют оригинальную автоматическую установку, в которой удаляются заусенцы с деталей, остающиеся после литья и механической обработки. Установку заполняют горячей газовой смесью. Взрыв - и перед вами деталь с идеально гладкими поверхностями стенок и всех каналов сверления.

Наиболее простое устройство для штамповки сжиженным газом представляет собой профилированную матрицу, на которой и помещается лист-заготовка. Сверху матрицу и лист покрывают крышкой. Через специальный клапан в камеру подают порцию жидкого азота. Испарение азота мгновенно приводит к резкому увеличению давления в камере, и заготовка вдавливается в матрицу, принимая ее форму. При этом заготовка сильно охлаждается, металл становится более пластичным, что, в свою очередь, также облегчает формирование изделий.

Если предварительно заполнить полость заготовки водой, то можно не только в несколько раз снизить расход сжиженного газа, но и скачкообразно повысить давление, которое через воду передается на стенки заготовки.

Взрывом прессуют различные порошки, получая из них нужные материалы или готовые изделия. В Новосибирске с помощью взрывной технологии делают уникальные многослойные подшипники, которые по прочности не уступают монолитным, сделанным из особо ценной стали, но обходятся гораздо дешевле.

Заслуживает большого внимания и взрывная клепка. Созданы взрывные клепальные молотки и устройства для пробивки отверстий в толстых деталях - плитах, профилях, трубах. Они работают бесшумно и не вызывают вибрации, дают продукцию высокого качества. Взрывная клепка применяется на многих машиностроительных предприятиях страны. Ее используют при сборке турбин, компрессоров и сельскохозяйственных машин, при ремонте автомобилей.

Импульсная обработка металла отличается от других видов высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями. Прежде всего, она очень экономична. Не дающая отходов взрывная резка в 25 раз дешевле ' газовой. Копер массой 5 тонн легко заменяет 800-тонные ножницы, требующие, кроме того, мощного бетонного фундамента. Благодаря ничтожному времени контакта ножей и раскаленного металла, ножи не успевают затупиться, а ударная волна взрыва не вызывает растрескивания и не мешает кристаллизации слитка.

В испарителях одной из атомных электростанций в решетки было запрессовано более десяти тысяч труб диаметром 300 миллиметров. Чтобы закрепить трубы механическими вальцовками, потребовалось бы больше года. С помощью взрывных устройств эту работу удалось закончить за две недели. Применение взрывной технологии позволило усовершенствовать конструкции теплообменников, улучшить их эксплуатационные характеристики.

Импульсные установки выгодно отличаются и от огромных прессов. Они в 100 и более раз легче их и не требуют фундаментов. За год на среднем машиностроительном предприятии импульсные установки сберегают до 300 тысяч рублей, получаемых за счет экономии металла при раскрое и других технологических процессах. Резко снижаются эксплуатационные расходы, облегчаются условия труда рабочих.