Соболев В.В., Шиман Л.Н. Высокоэнергетическая обработка материалов. Сборник научных трудов

Подождите немного. Документ загружается.

Высокоэнергетическая обработка материалов

171

The cross-sections of puncture zones gained in the same conditions (fig. 6)

on surfaces of a silicon monocrystal plate are in the form of square. The width of a

wall of such square changes from 1.6⋅10

-5

m to 2.3⋅10

-5

m (fig. 1). Thus, the cross-

section of puncture aperture in silicon and in glass has approximately equal sizes.

Hence, the transverse size of the microstream created in equal conditions in the

mode of super deep penetration remains constants at the set material of an obstruc-

tion. It sounds paradoxical but as plastic aftereffect on puncture geometry in glass

is more significant, in comparison with aftereffect in silicon it is necessary to ad-

mit, that the real geometry of a stream cross-section is in the form of a square. The

bandwidth of oscillations in defect (fig. 7) is less than in analogous conditions in

glass (fig. 3), also is about 3.5⋅10

-5

m. Thus, at using glass as a material for electric

field record the bandwidth of oscillations increases in 11.4 times. The distance be-

tween phases of oscillation curve of damages in Si monocrystal is approximately

equal to 8.5⋅10

-5

m, which is approximately 0.94 % from analogous measurement

made on glass. The form of a strip of damages also corresponds to sawtooth

change of parameters of the electromagnetic field controlling movement of a dense

plasma microstream.

Microhardness of various glasses is 400-1200 MPa. Average hardness of

glass is approximately 0.7⋅10

N/m

, i.e. less than 70% from hardness of Si

monocrystal. Thus, increase in an amplitude of oscillation of plasma microstream

on a glass sample surface in 11 times is impossible to explain only by decrease in

hardness of an obstruction material. Depth of stream penetration in a surface of the

glass sample (fig. 3b) not less than a depth of penetration in surface of silicon

monocrystal (fig. 7а). If to use minimization principle and to accept, that damage

volume on a glass surface (V

) more than damage volume on a surface of a silicon

monocrystal (V

)

only in 11 times then at equal speed of a dense plasma micro-

stream the energy spent for damages, will depend on a relationship of density of

glass and silicon ρ

/ρ

≈ 1,1. Crude comparison of kinetic energy of the micro-

stream spent for damage of glass surface and of a silicon monocrystal surface, tak-

ing into account a difference between these materials in hardness (the characteristic

of durability of a material at first approximation) allows to reveal presence of

power abnormality E

≈8.4 times. Such abnormality in the given conditions can

be explained only by difference in an interaction time between a stream and elec-

tric field at considered variants.

Высокоэнергетическая обработка материалов

172

Conclusion

The carried out researches of brittle materials behavior in the conditions of the

super deep penetration show, that physical effects, character at structure change in

metal materials are also observed in nonmetallic brittle materials, some features

however are revealed. Given results allow to draw now following basic conclusions:

1. The basic damages are made by dense plasma streams in a period of time

when pressure level in stream and in an impact zone exceeds level of hardness of

glass or silicon. Variants of punching by microstreams obstructions from glass and

a silicon monocrystal with slabbing destruction and without it are possible.

2. Interaction process represents surface damage of a solid body and its

punching. Unusual feature of this process is that the striker has the right-angled

form of a micron size in a cross-section, and management of movements of a

striker (microstream) carries out by external electric field.

3. Electric field parameters in an automodelling mode are registered on solid

body surfaces at cutting, and this record considers features of basis material (ob-

struction).

4. The plasma jet or referencely has an electric charge or gets an electric

charge at interaction with an electromagnetic field, and this field is the basic power

donor of punching process. At equal conditions of stream generation exactly the

difference in an interaction time between a stream and a field in case of glass and

silicon punching compensates increase of energy expenses on processes of cutting

and punching in 8.4 times.

References

1. Novikov L.S. Particles of space debris in circumterraneous space and

methods of their studying // Engineering ecology. – 1999. – №4. – Р. 10–19.

2. Physical bases of process of materials damage at a collision with streams

of powder particles / S.M. Usherenko, A.S. Kalinichenko, J.S. Usherenko,

V.I. Ovchinikov, N.A. Shipitsa, A.I. Belous, T.V. Petlitskaja // Minsk: National

academy of sciences of Belarus, 2006, V.29. Powder metallurgy. The republican

interdepartmental collector of proceedings (Devoted to 70 anniversary from the

birth of P.A.Vitjaz). –S. 98–106.

3. The physics of superdeep penetration phenomenon / J. Owsik, K. Jach,

S. Usherenko, Y. Usherenko, O. Figovsky V. Sobolev // Journal of Technical

Высокоэнергетическая обработка материалов

173

Physics. – 2008. – V.49, №1. – P. 3–25 (Polish Academy of Sciences, Institute of

Fundamental Technological Research, Warszawa, Military University of

Technology, Warszawa).

4. Damage of brittle materials at interaction of cosmic dust bunches with

protective shells / S.M. Usherenko, B.V. Rumjantsev, A.I .Belous, L.D. Bujko,

T.V. Petlitskaja // The second Belarus space congress, 25–27 October, 2005,

Minsk. Congress materials, Minsk, UIIT NAS Belarus, 2005. – S. 39–44.

5. Usherenko S.M., Korshunov L.G, Koval O.I. Multifactor experiments

under superdeep-penetration conditions // Journal of engineering physics and

thermophysics. – 2002. – V.75,№6. – P. 1249–1253.

6. Usherenko S.M., Koval O.I, Usherenko Yu.S. Formation of high-velocity

microjets in different variants of superdeep penetration // Journal of engineering

physics and thermophics. 2003 – V.76,№1. – P. 109–115.

УДК 542.51

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ВЗРЫВОМ

С ПРИМЕНЕНИЕМ ЛАЗЕРНОГО ИНИЦИИРОВАНИЯ

ЗАРЯДОВ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

В.В. Соболев, А.В. Чернай

Национальный горный университет,

пр. К. Маркса, 19, Днепропетровск, 49000, Украина

valeriysobolev@rambler.ru

Приведены основные технические характеристики главных элементов системы оптического

инициирования зарядов взрывчатых веществ и примеры использования первого в мире экспе-

риментального образца этой системы, разработанной в Национальном горном университете.

Basic technical descriptions of staples of the system of charges optical initiation of explosives and

examples of the use are resulted first in the world of experimental standard of this system, developed in

the National Mining University.

Технологический прогресс в области обработки материалов взрывом,

специальных видов взрывных работ, проведении массовых взрывов при добы-

че полезных ископаемых и строительстве невозможен без внедрения способов

и систем инициирования взрывчатых зарядов, в основу которых заложены но-

вые физические принципы. Одной из таких систем, неэлектрических в частно-

Высокоэнергетическая обработка материалов

174

сти, обладающих глубоким физическим потенциалом и высокой стойкостью к

разнообразным электромагнитным воздействиям, является оптическая система

[1]. В этой системе лазерный импульс используется для возбуждения детона-

ции в зарядах взрывчатых веществ (ВВ), высокочувствительных к лазерному

излучению, достаточно мощных как для применения их в качестве основных

зарядов при ударно-волновой обработке материалов, так

и первичных ини-

циирующих в прецизионных оптических детонаторах мгновенного действия.

Одной из особенностей служебных параметров оптической системы

инициирования (ОПСИН) является передача светового моноимпульса от ис-

точника энергии (лазера) к поверхности светочувствительного заряда ВВ

(СВВ), нанесенного на взрываемый объект, двумя принципиально различны-

ми способами: 1 – по оптоволокну к оптическому детонатору (ОД) и

2 – че-

рез воздушную атмосферу непосредственно к поверхности СВВ.

При использовании наиболее чувствительного к действию лазерного

излучения СВВ энергия подрыва одного оптического детонатора не превы-

шает (10-15)·10

–6

Дж [1]. В случае передачи светового импульса через воз-

душную атмосферу возможно возбуждение детонации одновременно всей

поверхности СВВ либо отдельного его участка.

В Национальном горном университете разработан и изготовлен экспе-

риментальный образец оптического квантового генератора с использованием

лазеров на неодимовом стекле для ОПСИН, рис. 1.

В одном резонаторе размещены три лазера диаметром 5

мм и длиной

100 мм; длина волны излучения 1,06 мкм. Длительность импульса на полувы-

соте интенсивности составляет 12 нс. Энергия в импульсе каждого канала не

меньше 160 мДж (суммарная 480 мДж). Электронная коммутация между кана-

лами позволяет обеспечивать задержку генерации одного канала относительно

другого с точностью 0,2 мс в диапазоне 0-100 мс, что позволяет осуществлять

короткозамедленное взрывание

групп зарядов ВВ или отдельных зарядов в

группах. Источником питания служат аккумулятор 12 В или электрическая

сеть напряжением 220 В. Вес ОКГ – 11 кг, габариты 130х270х420 мм.

Основные достоинства ОПСИН в сравнении с существующими сис-

темами взрывания:

 безопасность во время монтажа сети;

 абсолютная стойкость к различного рода электромагнитным наводкам;

 прецизионное

взрывание зарядов (точность до 1 мкс);

Высокоэнергетическая обработка материалов

175

Рис. 1. Схема экспериментальной установки (а) и её общий вид (б): 1 –

ОКГ; 2 – зеркала; 3 – диафрагма; 4 – лазерный диод; 5 – собирательная линза

 возможность осуществления перед взрывом контроля целостности

отдельных элементов и сети в целом (эта операция может быть проведена с

помощью маломощного лазера непрерывного действия; операция проверки

основана на измерении уровня светового сигнала,

отраженного от ВС опти-

ческого детонатора);

 возможность прецизионного осуществления короткозамедленного

взрывания зарядов с временной задержкой от 0,1 до нескольких сотен милли-

секунд между отдельными зарядами или между группами зарядов

;

 возможность взрывания зарядов двумя способами: передачей энер-

гии по оптоволокну к оптическим детонаторам, рис. 2, или через воздушную

атмосферу непосредственно к открытой поверхности заряда ВВ. В случае пе-

редачи светового импульса через атмосферу возможно возбуждение детона-

ции одновременно всей поверхности ВВ либо отдельных ее участков, дос-

тупных для её осветления.

Высокоэнергетическая обработка материалов

176

Рис. 2. Оптический детонатор: 1 – алюминиевая трубка; 2 – втулка; 3

– вторичное инициирующее ВВ; 4 – стакан, заполненный первичным ини-

циирующим ВВ (светочувствительный состав ВС); 5 – канал для установки

световода; 6 – оптоволоконный провод; 7 – пиропатрон

Перечисленные элементы и параметры являются основой ОПСИН,

имеющей наибольший физико-технологический потенциал в сравнении с

другими системами взрывания. Разработки защищены патентами Украины

[2-4] и Германии [5,6].

Оценку энергоемкости ОКГ, способного обеспечить подрав 500 сква-

жинных зарядов, расположенных на расстоянии 1 км, следует проводить с

учетом энергии срабатывания одного ОД (W = 10 мкДж) и коэффициента ос-

лабления

световой энергии по сети (К' = 0,1). Полная энергия рассчитывается

по формуле

мДж 50Дж105

1,0

500Дж10

=⋅=

⋅

′

⋅

−

где n – число скважин (или детонаторов).

Таким образом, для приведенной ОПСИН достаточно использовать ла-

зер с энергией всего лишь 50 мДж. Это значит, что по всем параметрам оп-

тимальная конструкция ОКГ для данной системы может быть более ком-

пактной и иметь меньший вес.

В экспериментальной установке ОКГ для юстировки схемы использо

Высокоэнергетическая обработка материалов

177

вался лазерный диод 4, излучающий в красной области спектра. С помощью

зеркал излучение диода направлялось через резонатор лазера таким образом,

чтобы отраженный от заднего зеркала луч попал в диафрагму (как это пока-

зано на схеме рис. 1а). В этом случае видимый луч лазерного диода и неви-

димый луч ОКГ совпадают, что

дает возможность юстировки схемы с помо-

щью "красного" луча.

Экспериментальные работы с применением ОПСИН (использовались

наносекундные импульсы длительностью 20-50 нс неодимового лазера) про-

водились по сварке тонкостенных (1 мм) труб диаметром 12 мм к доскам те-

плообменных аппаратов (проект НТЦУ №700), рис. 3.

Рис. 3. Схема сварки труб с трубными досками: 1 – оптоволокно; 2 –

ОД в

полиэтиленовой трубке (см. рис. 4); 3 – плакируемая труба; 4 – трубная

доска; 5 – внешняя поверхность трубной доски. Детонатор устанавливается с

внутренней стороны плакируемой трубы

Металлографические исследования образцов, изготовленных по откор-

ректированным режимам показали, что граница раздела между материалом

трубы и трубной доски волнообразная, характеризует хорошее качество свар-

ки. В вихревой зоне наблюдаются незначительные оплавления. Трещин, рас-

слоений и непроваров по основным металлам и границе соединения не наблю-

дается. Получены положительные результаты испытаний на герметичность.

зазор

1 мм

участок развальцовки трубы

Высокоэнергетическая обработка материалов

178

Особенностью ударно-волновой маркировки нефтяных труб (заказ нор-

вежского правительства и фирмы "International Pipe Technology and

Management AS"), рис. 4 и 5, является использование двухслойных микроза-

рядов, состоящих из основного заряда толщиной 1,5 мм – пластическое ВВ

(2) и толщиной 1 мм слоя инициирующего ВВ – состав ВС чувствительный к

действию лазерного импульса (3). Заряды выполнялись в виде квадратов и

равносторонних треугольников со

стороной 5 мм. Взрывание зарядов осуще-

ствлялось как с использованием световода, так и передачей светового им-

пульса через воздушную атмосферу. В первом и втором случаях расстояние

от ОКГ до заряда составляло 10 м.

Рис. 4. Полиэтиленовая втулка с оптическим детонатором

Рис. 5. Исходное состояние маркируемой трубы: 1 – пластическое ВВ;

2 – взрывчатое вещество, чувствительное к действию лазерного моноимпульса

5 мм

труба

2 1

Высокоэнергетическая обработка материалов

179

Микроструктура деформируемой зоны, рис. 6,б, имеет участки, харак-

терные для турбулентного течения материала, при этом к внешней поверхно-

сти турбулентного потока примыкает слой с явно выраженными вихревыми

течениями. Стрелками на рис. 6а показаны направления течения материала

трубы с образованием вихрей. Формирование течений начинается у поверх-

ности трубы, контактирующей с зарядом

ВВ, по периметру заряда. Глубина

проникания вихрей в стенки трубы достигает 3-5 толщин слоя ВВ. 45 градус-

ная ориентация турбулентных течений объясняется появлением двух компо-

нент напряжения – сдвиговой и нормальной. Механические испытания мар-

кированных образцов не проводились.

а б

Рис. 6. Микроструктура деформированной зоны: а – направление турбу-

лентных течений в стенке трубы; b – микроструктура зоны с течениями (х 200)

Метод апробирован при упрочнения металлов и при воздействии на

многослойные композиционные материалы (плоские структуры многофунк-

циональных покрытий, состоящие из трех слоев: АМГ-6, ТТП-КС и карболо-

на) скользящими, кольцевыми сходящимися и

расходящимися детонацион-

ными волнами, рис. 7. В экспериментах использовались покрытия ВВ с мас-

совой плотностью 43, 60 и 110 мг/см

. Величина плотности импульса соот-

ветственно равнялось (0,3 ± 0,05), (0,58 ± 0,04) и (1,42 ± 0,07) кПа·с.

Характер разрушения наглядно демонстрирует особенности напряжен-

но-деформированного состояния изделий при действии ультракоротких ме-

ханических импульсов.

ВВ

труба

Вихревая структура

Высокоэнергетическая обработка материалов

180

В экспериментальных исследованиях кроме решения традиционных задач

усовершенствования способов ударно-волновой обработки материалов и поис-

ка новых областей их применения, система ОПСИН может быть использована

как основа для решения вопроса стандартизации схем, методов и приемов.

По результатам исследований, сделаны выводы о перспективах приме-

нения ОПСИН в различных отраслях машиностроения и

особенно горно-

металлургического комплекса.

а b c

Рис. 7. Разрушение образцов композиционных материалов профилиро-

ванными детонационными волнами: а – расходящаяся волна от центра образ-

ца; b – сходящаяся волна к центру; c – линейная волна (точка инициирования

в нижней части образца; 1 – участок инициирования; 2 – слой ВВ; 3 – непро-

зрачный экран

Выражаем глубокую благодарность польским коллегам, предоставив-

шим нам возможность провести комплекс физических исследований в лабо-

раториях

Института оптоэлектроники Военно-технической академии.