ТЕОРИЯ сварочных процессов

Типовой баланс энергии при сварке

Для количественной оценки процессов передачи и термоди­намического преобразования энергии при разных видах сварки необходимо наметить обобщенную схему баланса энергии. В нее входят следующие основные ступени передачи энергии (рис. 1.6): сеть питания; источник энергии для сварки или преобразователь энергии ПЭ; носитель энергии - инструмент, передающий энергию от источника энергии к зоне сварки (резки или напыления); изде­лие - зона сварки (стык соединяемых деталей).

При изучении преобразования энергии в сварочных процессах Удобно использовать удельную энергию е, определяемую в расчете на единицу площади сварного соединения S (рис. 1.7).

поток в центре пятна нагрева в 2-3 раза выше, чем при аналогич­ных условиях нагрева открытой дугой.

Экспериментально установлено, что с увеличением сварочного тока максимальный удельный тепловой поток q2m возрастает, а коэффициент сосредоточенности к несколько уменьшается. Уве­личение напряжения на дуге влечет за собой снижение как q^m, так и к.

Сжатые сварочные дуги. При обработке материалов плаз­менно-дуговыми методами эффективность нагрева во многом оп­ределяется особенностями формирования плазменной струи. При использовании плазменной дуги прямого действия, когда анодом является изделие, эффективность его нагрева, как правило, оказы­вается выше, чем в случае использования плазменной дуги кос­венного действия (плазменной струи), когда анодом является со­пло плазмотрона. Это различие определяется тем, что в первом случае мощность, выделяемая в анодном пятне и анодной области, используется на нагрев изделия, тогда как во втором случае - бес­полезно расходуется на нагрев сопла плазмотрона.

Эффективный КПД плазменно-дугового нагрева изделия включает КПД плазмотрона rjr и КПД струи г|с:

Л = ЛгЛс (5.31)

КПД плазмотрона г|г зависит от его конструкции и режима ра­боты и особенно сильно влияет на г| при обработке плазменной дугой косвенного действия. КПД плазменной струи г|с снижается с увеличением расстояния от среза сопла плазмотрона до изделия вследствие увеличения потерь тепловой энергии на теплообмен струи с окружающей средой. Эти потери резко возрастают при пе­реходе от ламинарного режима течения струи к турбулентному. Они увеличиваются также с увеличением расхода плазмообра­зующего газа, так как возрастают потери тепловой энергии на теп­лообмен с окружающей средой и снижается температура струи.

Газокислородное пламя. При газопламенной обработке на­грев изделия осуществляется за счет конвективного и лучистого теплообмена между продуктами сгорания и нагреваемой поверх­ностью. При этом вклад лучистого теплообмена невелик и состав­ляет 10... 15 % общего теплового потока. Эффективная мощность газокислородного пламени определяется выражением

q = ^~, (5.32)

3600

где rj - эффективный КПД нагрева изделия газовым пламенем; Q -

з

низшая теплотворная способность горючего, кДж/м ; V - объем­ный расход горючего, м3/ч. Значения величин, входящих в форму­лу (5.32), для различных видов горючего приведены в справочни­ках по сварке.

Эффективность нагрева изделия газовым пламенем зависит от разности температур пламени и металла, а также от скорости пе­ремещения газового потока относительно поверхности нагрева. Чем больше разница температур и относительная скорость пере­мещения потока, тем выше эффективная мощность. С увеличени­ем мощности пламени его эффективная тепловая мощность воз­растает при некотором снижении КПД, связанном с уменьшением полноты сгорания горючего.

С увеличением скорости перемещения горелки, толщины на­греваемого материала и его коэффициента температуропроводно­сти снижается температура нагреваемой поверхности, поэтому эффективность ввода теплоты в изделие возрастает. Угол наклона горелки также существенно влияет на эффективную тепловую мощность.

Шлаковая ванна. Выделение теплоты при электрошлаковой сварке происходит вследствие прохождения тока через расплав­ленный шлак. Полная мощность, выделяемая в шлаковой ванне, может быть определена как

%=12ЯШ, (5.33)

где I- сварочный ток, А; /?ш - сопротивление шлаковой ванны, Ом.

Тепловые потери при электрошлаковом процессе прежде всего связаны с отбором теплоты формирующими устройствами и излу­чением с открытой поверхности сварочной ванны. Эффективность нагрева изделия возрастает с увеличением толщины свариваемого металла, его температуропроводности и скорости сварки, так как теплоотвод в изделие при этом увеличивается.

Электронно-лучевой нагрев. Электронно-лучевая обработка материалов основана на превращении в тепловую энергию кине­тической энергии электронов при их торможении в поверхностных слоях твердого тела. Эффективная тепловая мощность при элек­тронно-лучевой обработке определяется как
q = T]Ul,

где г| - эффективный КПД нагрева изделия электронным пучком; U - ускоряющее напряжение, кВ; / - ток электронного пучка, мА.

Потери энергии при электронно-лучевой обработке в основном связаны с отражением электронов от поверхности изделия и зависят главным образом от свойств обрабатываемого металла (его атомно­го номера и атомной массы). Эти потери ориентировочно составля­ют 8...10 % мощности электронного пучка (луча) для алюминия и 30.. .40 % для вольфрама. Кроме того, часть мощности электронного пучка расходуется на термоэлектронную и вторичную эмиссии, тормозное рентгеновское излучение и испарение из ванны. Вместе эти потери энергии составляют несколько процентов.

Эффективный КПД увеличивается с увеличением тока элек­тронного пучка, что связано с уменьшением потерь с отраженны­ми электронами. Электронно-лучевой нагрев отличается очень вы­сокими значениями максимального удельного теплового потока 4 6 2

(Я2т = Ю...10 Вт/см ) и локальностью (коэффициент сосредото­ченности может достигать 8* 104 см 2).

Фотонно-лучевые источники. При лазерной обработке мате­риалов нагрев изделия осуществляется когерентным излучением. Лазерное излучение при попадании на поверхность твердого тела частично отражается. Интенсивность отражения энергии опреде­ляется значением коэффициента отражения, который зависит от рода материала и длины волны излучения.

В современной лазерной технологии используют плотности 4 8 2

мощности от 10 до 10 Вт/см. Эффективность передачи энергии лазерного излучения обрабатываемому материалу определяется значением эффективного коэффициента поглощения, который фактически характеризует КПД лазерной сварки и зависит от мно­гих факторов - состояния и формы поверхности, температуры из­делия, электропроводности материала, скорости сварки, вида за­щитной среды и т. п.