Μελέτη εκρηκτικής συγκόλλησης αλουμινίου με Χάλυβα για ναυπηγικές εφαργογές

Abstract

Η παρούσα εργασία αφορά στη μελέτη της εκρηκτικής συγκόλλησης ναυπηγικών κραμάτων. Οι κύριες εφαρμογές της μεθόδου αυτής στη ναυπηγική βιομηχανία είναι: διμεταλλικοί μεταβατικοί αρμοί αλουμινίου-χάλυβα για τη σύνδεση αλουμινένιας υπερκατασκευής με χαλύβδινο κατάστρωμα, διμεταλλικά δαχτυλίδια για τη συγκόλληση χαλύβδινων εξαρτημάτων πρόσδεσης σε αλουμινένιο κατάστρωμα, διμεταλλικά δαχτυλίδια για τη συγκόλληση χάλκινων σωληνώσεων σε αλουμινένιο κατάστρωμα, διμεταλλικές φλάντζες τιτανίου για τη συγκόλληση ηλεκτρικών κιβωτίων από τιτάνιο σε χαλύβδινες φρακτές, μπουλόνια τιτανίου με αλουμινένια βάση για τη σύνδεση ραγών ολίσθησης σε αλουμινένιες γάστρες, διμεταλλικά καρφιά, κ.ά.. Στις εφαρμογές αυτές, μέσω της εκρηκτικής συγκόλλησης εξασφαλίζεται η «μετάβαση» μεταξύ ανόμοιων μετάλλων, με σημαντική μείωση ή και εξάλειψη του φαινομένου της γαλβανικής διάβρωσης. Στην παρούσα πειραματική μελέτη, ως μέταλλο συγκόλλησης (cladder/flyer plate) χρησιμοποιήθηκε κράμα αλουμινίου 5083-H111, πάχους τριών χιλιοστών (3 mm), ενώ ως έλασμα βάσης (backer/parent plate) ναυπηγικός χάλυβας Grade A, πάχους πέντε χιλιοστών περίπου (5,3 mm). Ως εκρηκτική ύλη χρησιμοποιήθηκε το AMMONITE 6, το οποίο αποτελεί μείγμα ΤΝΤ και νιτρικού αμμωνίου. Η εκρηκτική συγκόλληση πραγματοποιήθηκε τόσο σε παράλληλη διάταξη όσο και υπό γωνία. Ως μεταβλητή παράμετρος των εκρηκτικών συγκολλήσεων τέθηκε το διάκενο (stand-off distance) μεταξύ αλουμινίου και χάλυβα, σε παράλληλη διάταξη, ενώ στη διάταξη υπό γωνία, η προκαθορισμένη γωνία (α) μεταξύ των πλακών κυμάνθηκε από δύο έως δεκάξι μοίρες. Ο λόγος εκρηκτικής φόρτισης, R (=m_expl./m_Al ), οι διαστάσεις των ελασμάτων και το πάχος της εκρηκτικής στρώσης διατηρήθηκαν σταθερά. Σκοπός ήταν ο προσδιορισμός των βέλτιστων παραμέτρων συγκόλλησης. Η εκρηκτική συγκόλληση πραγματοποιήθηκε στον ειδικά κατασκευασμένο θάλαμο εκρήξεων του Εργαστηρίου Κατεργασιών των Υλικών της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών, ενώ η μεταλλογραφική μελέτη πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ναυπηγικής Τεχνολογίας της Σχολής Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Μελετήθηκε εκτενώς η μικροδομή και η μικροσκληρότητα της διεπιφάνειας, καθώς και η επίδραση των παραμέτρων της συγκόλλησης, σε αυτές. Μέσω των ανωτέρω, κατέστη δυνατός ο προσδιορισμός του βέλτιστου συνδυασμού των παραμέτρων εκρηκτικής συγκόλλησης που οδήγησε στην πραγματοποίηση μιας αποδεκτής συγκόλλησης.

This study involves the investigation of explosive welding of alloys used in the shipbuilding industry. The main applications of this method in shipbuilding are: Aluminum-Steel Bimetallic transition joints for welding aluminum superstructures to steel decks, bimetallic rings for welding of steel tie-down assemblies into aluminum decks, bimetallic rings for welding copper alloy drain assemblies into aluminum decks, titanium faced bimetallic flanges for welding titanium electrical boxes into steel bulkheads, titanium studs with aluminum bases for bolting Rub Rails to aluminum hulls, bimetallic studs for corrosion resistant bonding straps and many more like ή similar applications. The use of EXW in these applications guarantees the "transition" between dissimilar metals, with a substantial reduction or elimination of the phenomenon of galvanic corrosion. During this experimental study, Aluminum Alloy 5083-H111 was chosen as the flyer plate, 3 mm thick, while marine carbon steel (Grade A) was obtained as the parent plate, 5 mm thick. Ammonite 6 (a mixture of TNT and ammonium nitrate) was chosen as the explosive material. Two geometries are utilized for the experimental set-up of EXW; the parallel and the inclined arrangement. The parameters of the experimental procedure, prior to detonation, included the stand-off distance between the aluminum and steel plates, concerning the parallel-plate technique, whereas, for the inclined geometry, the initial angle of inclination (α) varied in a range of two to sixteen degrees. The constant parameters introduced for the experimental set-up were the following; the explosive ratio, the dimensions of the plates and the thickness of the explosive. The objective of this study was the evaluation of the optimum welding parameters. The experiments took place in an explosion chamber especially designed for this type of welding procedures, located in the Laboratory of the Section of Manufacturing Technology at the School of Mechanical Engineering, whilst the metallographic study was carried out in the Laboratory of Marine Technology at the School of Naval Architecture and Marine Engineering. For this purpose, a complete microstructural and microhardness analysis of the weld interface was carried out, as well as an evaluation of the impact parameters. The study design, made possible, the definition of an optimum combination of the explosive parameters which lead to an acceptable welding.