ТЕОРИЯ сварочных процессов

Оценка эффективности и требования к источникам энергии для сварки

ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ПРОЦЕССОВ СВАРКИ

При выборе источника энергии для сварки конкретных изде­лий следует учитывать техническую возможность применения данного источника, эффективность процесса (энергетическую и экономическую), а также качество и надежность получаемых соединений.

Концентрация энергии термических источников может оцени­ваться удельной мощностью в пятне нагрева. Наибольшую интен­сивность энергии — до 103 Вт/мм2 и выше при пятне нагрева до 10~6 мм2 — могут иметь лазерный и электронный лучи (табл. 1.5).

Однако сварка возможна только до плотности мощности

102.. .104 Вт/мм, так как большие удельные мощности приводят к выплескам и испарению материала, полезному лишь при резке и размерной обработке изделий. Удельная мощность луча и энер­гетические коэффициенты наплавки, расплавления и другие (см. гл. 3) пригодны для оценки только отдельных видов источников энергии или методов сварки. Для оценки эффективности разных классов сварочных процессов и разных методов сварки и пайки целесообразно использовать значения удельной энергии £св и є„, необходимой при сварке данного соединения.

РАСЧЕТ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ

Расчеты показали, что для многих видов соединений и мате­риалов механические и термомеханические процессы сварки тре-

буют значительно меньше энергии, чем сварка плавлением. Напри­мер, при сварке встык стальных стержней диаметром 20 мм дуговым ванным способом необходимо есв« ж 1800 Дж/мм2, при контактной стыковой сварке оплавлением єсв« «400 Дж/мм2; при сварке трением есв« 130 Дж/мм2. Для сварки встык пластин из алюминиевого сплава толщиной 5 мм требуется есв: при аргонно-дуговой сварке «300 Дж/ мм2; при контактной сварке «200 Дж/мм2; при холодной сварке «30 Дж/мм2.

Расчет значений есв для разных методов сварки плавлением коррози­онно-стойкой стали типа 18—10 (рис. 1.8) показал, что с увеличением толщины изделия удельная свароч­ная энергия резко растет при исполь­зовании многопроходной сварки. На­пример, аргонно-дуговая сварка вольфрамовым электродом обес­печивает получение стыкового сварного соединения для листов толщиной 15 мм при общих затратах энергии на все проходы до 1000 Дж/мм2. Электронно-лучевая сварка благодаря кинжальному проплавлению за один проход позволяет соединить встык листы толщиной от 10 до 50 мм практически при одной и той же удельной энергии (см. рисунок).

Сравнение критериев єи и е0 для однопроходной сварки стали показывает, что еи с уменьшением интенсивности источника воз­растает примерно от 3...5 Дж/мм2 для лазерной сварки до 200... 400 Дж/мм2 для газового пламени. В то же время общие затраты энергии є0, в которых учитывается вакуумирование для электрон­ного луча (площадь изделия « 500 мм2) и к. п. д. лазера («0,1%), в сотни и тысячи раз выше для этих источников, чем для свободной дуги в аргоне или для газового пламени (рис. 1.9)

Пример. Определение удельной энергии вст для различных способов сварки.

Основные физические свойства металлов и сплавов приведены в табл. 1.6.

1. Сварка плавлением. Рассмотрим сварку плавлением встык ванным спосо­бом двух алюминиевых стержней диаметром 20 мм. Согласно обобщенной схеме баланса энергии (см. рис. 1.6, а) существует внешний источник энергии, которая вносится с расплавляемым электродным металлом. Удельное объемное энергосо­держание расплавленного металла при температуре его плавления составляет дЯ = у(сплГпл + <7ПЛ), где у—плотность; с„л —удельная теплоемкость; — скрытая теплота плавлення металла.

Минимальная удельная энергия, требуемая для сварки ванным способом, определяется как произведение АН на объем зоны (ванны) расплавленного метал­ла, деленное на площадь сечения шва, т. е. как произведение ДЯ на ширину В рас-

Рис. 1.9. Средние значения удельной энергии е„ и е0, необходимой для однопроходной сварки стали различными методами

плавленной зоны: ест = ДН В, Дж/мм2. Принимая ширину такого шва равной диа­метру прутка, получаем

f*T = 2,7-(1-660 + 390)• 2 = 5670 Дж/см2 = 56,7 Дж/мм2.

2. Контактная сварка оплавлением. В данном случае существует внутрен­ний источник энергии — тепловыделение на контактном сопротивлении. Различие в минимальном значении требуемой энергии определяется по сравнению со свар­кой плавлением лишь размерами расплавляемой зоны. Используя исходные дан­ные примера сварки плавлением, находим, что при глубине осадки по 5 мм минимальная удельная энергия составит 28,35 Дж/мм2.

3. Сварка трением. Ширина зоны нагрева от «внутреннего» источника энер­гии при сварке трением значительно ниже, чем при контактной сварке оплав­лением. Кроме того, процесс формирования шва обычно протекает при темпера­турах, близких к температуре плавления сплава, но не превышающих ее, т. е. без затрат на скрытую теплоту плавления. При общей ширине пластической зоны формирования соединения около 5 мм минимальная удельная энергия сос­тавит Есг = 2,7-660-0,5 = 900 Дж/см2 = 9 Дж/мм2.

4. Холодная сварка. Имеем внутренний источник энергии. Преобразование энергии сжатия деталей происходит в некотором активном объеме с одинаковой глубиной в обе стороны от шва. Энергия, требуемая для сварки, в данном случае также определяется как произведение среднего энергосодержания при темпера­туре стыка около 600°С (для алюминия) на глубину активной зоны, величиной около 1 мм, или: ^ = 2,7-600-0,1-2 = 324 Дж/см2 = 3,24 Дж/мм2.

5. Сварка взрывом. Экспериментально установлено, что для сварки алюми­ниевых пластин толщиной 1 мм требуется около 1 г взрывчатого вещества на 1 см2 площади соединяемых деталей. Учитывая, что удельная энергия для взрыв­чатого вещества составляет ~ 6000 Дж/г, получаем ориентировочную оценку;

єст = 1 -6000 Дж/см2 = 60 Дж/мм2.

Сопоставление энергозатрат при рассмотренных способах сварки показывает, что способы сварки давлением менее энергоемки по сравнению со сваркой плав­лением. Немаловажно и то, что при сварке в твердом состоянии не требуется расходовать энергию на расплавление металла, что экономит около 15...30% энергии.

Примечание. Индексы 298, 5 и L идентифицируют температуру 298 К. солидуса н ликвидуса соответственно.