Мы привыкли считать взрыв разрушением. Но можно ли заставить его созидать? Оказывается, да - если направить ударную волну не на снос, а на соединение.
Как инженер приручил взрывчатку
В 1962 году в журнале "Сварочное производство" вышла статья о сварке взрывом. В 1963-м заведующий отделом Алтайского научно-исследовательского института технологии машиностроения (АНИТИМ) Борис Давыдович Цемахович, прочитав её, решил: идею надо проверить. Первые опыты проводились в заброшенном овощехранилище, приспособленном под лабораторию рядом со складом взрывчатых веществ. Так рождалось направление работ, разработки которого впоследствии были отмечены четырьмя золотыми медалями международной Лейпцигской ярмарки 1985 года.
Как ударная волна превращается в инструмент сварки
Сварка взрывом - это разновидность сварки давлением. Энергия взрыва разгоняет одну деталь относительно другой до скоростей 200-800 метров в секунду. В момент удара в зоне контакта возникает давление порядка нескольких гигапаскалей, а в отдельных режимах может приближаться к 10 ГПа, что примерно в 100 тысяч раз превышает атмосферное.
В эти мгновения металл демонстрирует гидродинамическое течение без перехода в жидкое состояние: он деформируется без разрыва, а оксидные плёнки и поверхностные загрязнения выбрасываются из зоны контакта характерной кумулятивной металлической струёй. При этом соединение образуется не за счёт полного расплавления металла, а главным образом благодаря экстремальной пластической деформации. Активная стадия образования связи длится от единиц до десятков микросекунд, в результате чего между поверхностями формируется прочное металлургическое соединение на атомном уровне.
Почему это работает даже с разными металлами
Объёмная диффузия, то есть взаимное проникновение атомов, практически не успевает развиться за столь короткое время. Именно поэтому интерметаллидные соединения, делающие обычную сварку некоторых пар металлов практически невозможной, либо не успевают сформироваться в значительном количестве, либо возникают лишь локально тонкими прослойками. Это позволяет соединять материалы, которые в обычных условиях "не дружат": сталь с алюминием, титан с медью, медь с молибденом. При правильно подобранном режиме разрушение при испытаниях нередко происходит в основном металле, а не по границе соединения.
Как это работало на сибирских газопроводах
На стык двух труб надевали специальную муфту с утолщёнными стенками. Снаружи укладывали заряд взрывчатого вещества - гранулотол, аммонит или аммонал. Массу и схему расположения рассчитывали индивидуально, чтобы энергия не повредила основную трубу.
Детонация от электродетонатора создавала ударную волну, муфта разгонялась и соударялась с трубой. После контроля качества соединение было готово к эксплуатации. Не требовались сварочный ток, мощные источники питания и тяжёлое оборудование.
Где именно применяли
Именно поэтому метод широко применялся при изготовлении ответственных переходников и специальных соединительных элементов для трубопроводной отрасли, в том числе в проектах крупных магистральных газопроводов советского периода. Технология позволяла монтировать соединительные элементы прямо в поле - там, где традиционная сварка была затруднена. Позже этот метод нашёл применение и в специальных условиях, где использование открытой электрической дуги было нежелательно или опасно.
Масштаб и наследие
К 1990 году инженерный центр АНИТИМ располагал научно-исследовательской базой в Барнауле с пятью лабораториями, Гилёвским опытно-экспериментальным заводом, выпускавшим до нескольких тысяч тонн трёхслойных заготовок в год, и цехом в Темир-Тау с аналогичной мощностью. За годы работы здесь было защищено 3 докторских и 16 кандидатских диссертаций, а 5 сотрудников стали лауреатами премии Совета Министров СССР.
Плакирование - не только трубы
Технология плакирования, то есть нанесения защитного слоя одного металла на поверхность другого, нашла применение далеко за пределами газопроводов. По технологиям АНИТИМа плакировано около 200 лопастей рабочих колёс гидротурбин на Красноярской, Саяно-Шушенской и Чарвакской ГЭС, а также на зарубежных гидроэнергетических объектах.
Технология, которая не устарела
Можно подумать, что сварка взрывом осталась в прошлом вместе с плановой экономикой. Но это не так. И сегодня учёные продолжают эксперименты: ищут способы сваривать малопластичные стали, используют комбинированные промежуточные слои из никеля и меди, полученные детонационным напылением, разрабатывают новые методы соединения алюминия и стали. Технология остаётся одним из наиболее эффективных способов получения композиционных материалов из разнородных металлов в авиации, энергетике и при ремонте трубопроводов в экстремальных условиях.
Взрыв, который строит
История сварки взрывом - это напоминание о том, что самые неожиданные решения часто лежат на поверхности. Взрыв всегда казался символом разрушения. Но оказалось, что та же сила, которая сносит здания, может соединять металлы с точностью, недоступной другим методам.
Есть в этом своя ирония: человек, который боится взрыва, не представляет, что именно он может стать самым надёжным способом соединить то, что раньше не соединялось. А инженер, понимающий физику процесса, видит в ударной волне не угрозу, а инструмент.
За газовой трубой или турбиной гидроэлектростанции часто стоит не электрод и не горелка, а процесс, занимающий лишь несколько микросекунд. Это знание меняет оптику: мы привыкли бояться взрыва, но он умеет созидать. В этом и проявляется одна из самых неожиданных особенностей инженерии: технологиям часто удаётся превратить разрушительную силу в инструмент созидания.