Спосіб обробки матеріалів вибухом

Спосіб обробки матеріалів вибухом, що включає розміщення шару вибухової речовини на поверхні виробу, нанесення на поверхню вибухової речовини шару ініціювального вибухового складу, ініціювання ініціювального вибухового складу освітленням його відкритої поверхні лазерним імпульсним випромінюванням, який відрізняється тим, що вплив лазерним імпульсним випромінюванням здійснюють у діапазоні часу від 10-9с до 30×10-9с з рівномірним розподілом енергії випромінювання по поверхні вибухового складу, що не менша за критичну густину енергії ініціювання. Винахід належить до фізики вибуху й може бути використаний при виконанні фізичних експериментів для одержання детонаційних і ударних хвиль заданого профілю; у машинобудуванні зварювання металів, зміцнення, штампування, пробивання отворів, гравірування; у порошковій металургії - компактування порошків металів, кераміки, аморфних матеріалів; руйнування твердих матеріалів, наприклад, твердих сплавів, алмазу й інш.; у геофізиці - ініціювання плоских детонаційних хвиль на великих площах, до 5м 2; у гірничорудній промисловості - ведення підривних робіт при підземному та відкритому видобуванні корисних копалин, при руйнуванні різного роду споруджень, утилізації застарілого устаткування і т. інш. Однією із найскладніших операцій на прикладі зміцнення поверхні металевих виробів є ударнохвильове навантаження за допомогою генераторів плоских детонаційних хвиль. Такі генератори дозволяють забезпечити плоскохвильове навантаження, та практичне використання цього способу обмежується як величиною площі, що обробляється, так і конфігурацією його поверхні. В цілому технологічні обмеження пов'язані зі способом іні ціювання і типом вибухової речовини. Відкритий новий клас ініціюючих вибухови х речовин [Чернай A.B., Соболев В.В., Илюшин М.А., Мазарченков В.А. Упрочнение материалов путем лазерного подрыва взрывчатых составов // Промышленные взрывчатые вещества и средства их инициирования. - Вып.1. - Шостка, 1995. - С.56-58] стимулював розробку нової системи підривання - оптичної [Sobolev V., Cher-nay Α., Studinski N. OPSIN - a new system of blast-hole change blasting in explosives // 5-th International symposium on mine planning and equipment selection. San Paulo. - Brazil, 1996. P.441-443.], що значно поширило можливості обробки матеріалів з використанням енергії вибуху. Відомий спосіб обробки матеріалів вибухом полягає в тому, що на оброблювану поверхню наносять шар вибухової речовини (ВР), а потім за допомогою генератора плоских детонаційних хвиль здійснюють підривання ВР [Деформация металлов взрывом / A.B. Кр упин, В.Я. Соловьёв и др. - Μ.: Металлургия, 1975, рис. 30,а; схема 8, с. 291]. Недоліком такого способу є те, що він потребує складного устаткування, а при його реалізації (19) UA (11) 84326 (13) C2 (21) a200611406 (22) 30.10.2006 (24) 10.10.2008 (46) 10.10.2008, Бюл.№ 19, 2008 р. (72) СОБОЛЄВ ВАЛЕРІЙ ВІКТОРОВИЧ, U A, ЧЕРНАЙ АНАТОЛІЙ ВОЛОДИ МИРОВИЧ, UA (73) НАЦІОН АЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ, UA (56) DE, заявка №10155246, B23K20/08, 20/06, F42B3/113, 3/00, публ. 17.07.2003. US, патент №3812783, F42C13/02, F42D1/04, публ. 28.05.1974. FR, патент №2760266, F42B3/223, 3/00, публ. 04.09.1998. US, патент №6150630, B23K26/00, публ. 21.11.2000. WO, заявка № 2004/02306, F41H13/00, публ. 18.03.2004. 3 84326 виникає потреба у додатковій витраті ВР, що не дозволяє широко застосовувати цей спосіб на практиці. Як правило, цей і аналогічні йому способи не забезпечують керування ударно-хвильовими процесами, є вузько спеціалізованими (тільки створюють плоскі чи тільки лінійні хвилі) і при необхідності обробки великої площі - взагалі незастосовні. Крім цього, цей спосіб не дозволяє обробляти складні за рельєфом поверхні, особливо малої площі. Наприклад, мова може йти про зміцнення локальних поверхонь, у тому числі й зі складною геометрією, вимірюваних від декількох мм 2 до декількох см 2. Використання плоских генераторів приводить, в основному, до руйнування матеріалу, тобто до створення дуже високих тисків через додаткове використання великої маси ВР самого генератора. Тому для таких операцій, як зміцнення металів, активування їхньої мікроструктури з метою подальшого механічного здрібнювання, і т. інш. цей спосіб непридатний. Найбільш близьким до пропонованого способу за технічною суттю та результатами, що досягаються, є спосіб обробки матеріалів вибухом, у якому на поверхню вибухової речовини додатково наносять високочутливий до дії лазерного випромінювання шар ініціюючої вибухової сполуки (ІВС), при цьому підривання шару ініціюючої вибухової сполуки здійснюють шляхом передачі лазерного випромінювання крізь повітряну атмосферу або по оптоволоконному світловоду [Чернай A.B., Соболев В.В., Илюшин М.А., Житник Н.Е. О методеполучения механических импульсов нагружения, основанном на лазерном подрыве покрытий из взрывчатых составов // Физика горения и взрыва. 1994. - №2. - С.67-73]. Цей спосіб забезпечує обробку поверхні металевого виробу, формування заданих профілів детонаційних та ударних хвиль, але стає малоефективним у разі використання різних типів вибухових сполук, які відрізняються рівнем чутливості до дії лазерного випромінювання, При реалізації способу час дії лазерного випромінювання складав від 25 до 30нс, а тому для регулювання густини лазерної енергії треба використати лазери з різною енергією випромінювання. За основу пропонованого винаходу взято задачу вдосконалення способу обробки матеріалів вибухом, в якому шляхом вибору нови х технологічних параметрів досягається кероване ініціювання 4 різного типу вибухо вих речовин і за рахунок цього досягається можливість ефективно обробляти складні за рельєфом поверхні, особливо малої площі готових виробів. Поставлена задача вирішується тим, що в способі обробки матеріалів вибухом, що включає розміщення шару вибухової речовини на поверхні виробу, нанесення на поверхню вибухової речовини шару ініціювальної вибухо вої сполуки, ініціювання ІВС освітленням його відкритої поверхні лазерним імпульсним випромінюванням, згідно винаходу, вплив лазерним імпульсним випромінюванням здійснюють у діапазоні часу від 10-9 с до 30×10-9с з рівномірним розподілом густини енергії випромінювання по поверхні вибухової сполуки, яка не менша критичної густини енергії ініціювання. На Фіг. приведено принципіальну схему пристрою (а) та його вид (б), що використовувався при реалізації запропонованого способу, де 1 оптичний квантовий генератор (лазер); 2 - дзеркала; 3 - діафрагма; 4 - лазерный діод; 5 - збираюча лінза; 6 - тримач оптичного волокна; 7 - оптичне волокно. Реалізація способу дозволяє проводити мікровибухи на поверхнях у декілька міліметрів квадратних, а також проводити підривні роботи на об'єктах, у яких ініціюючу вибухову сполуку розміщують у порах або тріщинах, що принципово не може бути реалізовано другими методами підривання. Поверхнева густина енергії може бути збільшена, або зменшена шляхом змінювання часу дії лазерного випромінювання (при незмінній енергетиці лазера): коротший час свідчить про високу густину енергії, що підриває ІВС, а довший - навпаки. Час дії лазерного моноімпульсу, що складає 10-9с, забезпечує ефективне використання ІВС з енергією запалювання порядка 14Дж/см 2, значно розширює коло вибухо вих речовин нового класу у застосуванні їх на практиці. Зменшення нижнього порогу часу дії лазерного моноімпульсу має певні технічні й фізичні труднощі. Збільшення часу дії верхнього порогу (30×10-9с) малоефективне, тому що для найбільш чутливої речовини ВС-2 достатньо тієї густини енергії, що поглинається речовиною за 30×10-9с. В Таблиці приведені експериментальні характеристики запалювання різних типів ІВС і величина часу дії лазерного випромінювання, необхідного для надійного збудження детонації. Таблиця № п.п. Ініціюючий вибуховий склад Швидкість детонації, км/с 1 ВС-2 6,5 2 3 ВС-7 ВС-16 5,8 5,1 Щільність енергії ініціювання лазерним моноімпуль- Час дії лазерного моноімпульсу, нс сом, Дж/см 2 2,3×10-3 14 30 10,14×10-3 30×103 308,4×10-3 24-30 5×10-3 17-24 12×10-3 5 84326 6 Продовження таблиці 4 4а 5 6 7 8 9 10 ВС-17 ВС-17 ВС-24 ВС-10 ВС-8 ВС-9 ВС-12 ВС-13 6,7 6,7 5,4 8,03 7,14 7,43 6,42 6,94 Спосіб реалізується таким чином. На поверхню оброблюваного виробу наносять шар ініціюючої вибухової сполуки необхідної товщини. За допомогою лазерного діода 4, дзеркала 2 суміщали лазерні промені невидимого неодимового лазера 1 (довжина хвилі 1,06мкм) та червоного променя лазерного діода (0,63мкм). Лінзою 5 здійснювалося фокусування випромінювання на торець світло волокна 7. Зі сторони іншого торця світло волокна 7 розміщували експериментальний зразок на такій відстані, щоб затверділий шар ІВС освітлювався рівномірно лазерним випромінюванням, густина якого мала перевершувати критичну густин у енергії ініціювання шару вибухової сполуки. Ініціювання ІВС здійснювали з відстані 8м шляхом освітлення водночас всієї поверхні кожного із зарядів ІВС лазерним випромінюванням. Площа поверхні ІВС у всі х експериментах складала 16мм 2. Критичну густину енергії ініціювання для кожного заряду ІВС знаходили експериментально. Використовувався експериментальний зразок лазера, що працює в режимі модуляції добротності резонатора. Енергія випромінювання 0,17Дж. Густина енергії в пучку випромінювання змінювалася відповідно до часу дії моноімпульсу. Пропонований спосібі застосування високочутливих до лазерного випромінювання ІВС (з критичною густиною енергії ініціювання від 2×10-3 до 40×10-3Дж/см 2) по розрахунках дозволяє збуджувати детонацію на поверхнях площею ~5м 2. Жоден з відомих способів не дозволяє реалізувати такі умови. Густина поверхневої енергії лазерного моноімпульсу має перевершувати критичну густину енергії ініціювання шару вибухового складу, що поглинає лазерне випромінювання. При цьому, в залежності від поставленої задачі (зміцнення, іспит на міцність конструкцій, порушення детонації в різних по чутливості вибухови х речовинах, р уйнування твердих матеріалів або механічна активація) вибирають різні ІВС, що представлені у Таблиці. На прикладі ВС-2 у Таблиці показано як збільшується густина енергії ініціювання від часу дії лазерного імпульсу: збільшення часу дії в 1000 разів збільшує критичну щільність енергії ініціювання в 30 разів. Використання ІВС в якості основного енергетичного джерела може знайти широке застосування в таких операціях як іспит циліндричних оболо 40×10-3 15×10-3 0,1 7 14 14 15 16 25-30 24-22 10-13 6-8 1-2 1-2 1 1 нок на динамічну міцність і стійкість; механохімічне активування металевих матеріалів та мінеральної сировини, тобто насичення мікроструктури речовини дефектами високої концентрації, з метою подальшого ефективного їхнього механічного руйнування і здрібнювання; зміцнення металевих виробів, що мають складний рельєф поверхні, або зміцнення локальних ділянок на поверхні виробів; руйнування конструкцій, підземних споруд, виробів і інших об'єктів в особливих випадках, коли потрібно дистанційне проведення операції. У перерахованих і подібних їм випадках використання пропонованого способу незамінно ніякими іншими відомими. Крім цього, реалізація способу пропонує й гнучке керування процесами обробки матеріалів. Використання ІВС як основного заряду ВР не обмежує реалізацію пропонованого способу. Наприклад, можна використовувати різні композиції із шарів ІВС і бризантних ВР. У цьому випадку вибуховий склад виконує роль ініціатора детонаційного процесу в бризантному ВР - основному енергетичному джерелі. Конфігурації детонаційної хвилі (і ударних хвиль) можуть бути задані будь-якої форми, а переміщення хвилі - у заданому напрямку і режимі. За такою схемою найбільш ефективна реалізація таких процесів, як зварювання і зміцнення металів, метання пластин з розрахунковими параметрами руху в процесах синтезу матеріалів і створення високих тисків, створення сферичних детонаційних хвиль, що сходяться, підривання бризантних ВР для одержання високої густини енергії в різних об'єктах; створення детонаційної хвилі, що сходиться, фронт якої представляє поверхню циліндра, що на відміну від сферичної хвилі, кумуляція енергії (за рахунок сходження детонаційної чи ударної хвилі) буде зосереджена навколо осі циліндра. Створення плоских ударних хвиль на великих площах може бути зв'язане з необхідністю руйнування різного роду перешкод чи з метою одержання плоских ударних хвиль при геофізичних дослідженнях. Немає необхідності перелічувати всі області застосування даного способу, але варто підкреслити, що у всіх випадках застосування його відрізняється від відомих тим, що детонація збуджується водночас на всій поверхні, відкритій для лазерного випромінювання, незалежно від її рельєфу і геометричної форми виробу. 7 Комп’ютерна в ерстка М. Ломалова 84326 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601