СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Оценка эффективности источников энергии

Для правильного выбора того или иного сварочного процесса применительно к конкретному изделию следует учитывать по крайней мере три основных фактора: техническую возможность применения процесса; качество и надежность получаемого со­единения; энергетическую и экономическую эффективность сва­рочного процесса.

Первый фактор должен быть выполнен безусловно. Вторые два фактора следует учитывать так, чтобы найти оптимальное решение в каждом конкретном случае. Для правильного и обо­снованного учета факторов качества и надежности соединений одновременно со степенью эффективности применяемого про­цесса сварки нужна единая методика их количественной оценки. Эффективность процессов сварки плавлением оценивают обычно такими показателями, как эффективный и термический к. п. д., коэффициенты расплавления и наплавки и т. п. Источ­ники сварочного нагрева характеризуют обычно удельным теп­ловым потоком в пятне нагрева qmах, Вт/см2, и коэффициентом сосредоточенности k. Оценивают также удельные затраты на 1 м длины шва или на 1 кг наплавленного металла.

Сравнение термических источников энергии для сварки (рис. 1.6) показывает, что наибольшую удельную мощность В пятне нагрева имеют лучевые ИСТОЧНИКИ, ДЛЯ которых Цтах примерно 1 • 1010 Вт/см2. Однако их применение для сварки ограничено верхним пределом 1 • 107 Вт/см2 для электронного и фотонного луча. При более высоких плотностях энергии в пятне нагрева сварка невозможна — происходит испарение мате­риала; возможна резка и размерная обработка (лучевое фрезе­рование) изделий.

Однако приведенные показатели не позволяют сравнивать между собой процессы разных классов — термические, термо­механические и механические. В то же время часто имеется

возможность выполнить одно и то же соединение разными ме­тодами сварки, а также пайкой или склеиванием. Основная за­дача любого из этих трех процессов — получение определенной площади качественно соединяемых материалов. Поэтому целе­сообразно применять удельные показатели эффективности, от­несенные к единице площади соединения [1, 2].

Расчет значений есв для разных способов сварки коррозион­ностойкой стали типа 18-8 показал (рис. 1.7), что с увеличением

Рнс. 1 6. Удельная мощность различных ис­точников энергии сварочных процессов в пятне нагрева. Левая штриховка соответствует сварке, правая — резке (Р). Обозначение. ГП —- газовое пламя; СвД — свободная дуга; СжД —сжатая дуга; ЭЛ — электронный луч; ФЛ — фотонный луч

толщины изделия удельная сварочная энергия резко возра­стает при использовании многопроходной сварки. Например, аргоно дуговая сварка W-электродом (АДВ) обеспечивает сварку стыкового соединения листов толщиной 15 мм при общих затратах на все проходы до 1000 Дж/мм2. Электронно-лучевой процесс (ЭЛС) благодаря кинжальному проплавлению и одно­проходной сварке позволяет сваривать встык металл толщиной 10—50 мм практически при одной и той же удельной энергии 30—60 Дж/мм2. Использование плазменной дуги (ПД) и дуги в вакууме (ВД) при узкой разделке также позволяет потреб­лять при сварке меньше энергии (есв= 150-^300 Дж/мм2), чем для дуги под флюсом (ДФ), которая в зависимости от ра. зделки кромок требует Єсв = 4004-800 Дж/мм2.

Сравнение критериев еи и е0бщ показывает, что еи с умень­шением интенсивности источника возрастает примерно от еди-

ниц (3—5 Дж/мм2) для лазерной сварки до сотен (200— 400 Дж/мм2) для газового пламени (рис. 1.8).

Пламенная дуга при достаточных мощностях разрезает коррозионностойкую сталь при удельной энергии резки Єр= = 100 Дж/мм2. Однако при толщинах свыше 100—120 мм мощ­ности источника не хватает для интенсивного ведения процесса, и еР возрастает до 300—350 Дж/мм2.

Критерий ер вычисляется так же, как и есв, а удельная энер­гия выплавления Єв = єрТ)в, где т)в—энергетический коэффициент

выплавления, составляющий при оптимальных режимах резки металла толщиной 10—100 мм для стали 18-8 ~55 %, а для сплава АМг ~25 %,

Сравнение эффективности Т, ТП и ПМ-процессов сварки по­казывает, что для многих видов соединений и материалов ме­ханические и термомеханические процессы сварки требуют значительно меньше энергии, чем сварка плавлением. Напри­мер, для сварки встык стальных стержней диаметром 20 мм при дуговом ванном способе необходимо ЄсВ=1800 Дж/мм2, при контактной стыкбвой сварке оплавлением ~400 Дж/мм2, при сварке трением ~ 130 Дж/мм2. Для сварки встык пластин из алюминиевого сплава толщиной 5 мм требуется: при аргоно­дуговой сварке Єсв = 300 Дж/мм2, при контактной сварке ~200 Дж/мм2, при холодной сварке ~30 Дж/мм2.

Анализ эффективности по различным классам сварочных процессов позволяет построить условную диаграмму удельной энергии, необходимой для сварки соединений определенного типа с применением разных процессов или источников энергии.

На диаграмме (рис. 1.9) по вертикальной оси в логарифмиче­ском масштабе отложены приблизительные значения е„, а по горизонтальной оси указаны возможные процессы примени­тельно к сварке встык стальных листов толщиной до 20 мм или стержней диаметром до 20 мм.

Целесообразно в ряде случаев применять показатель удель­ной энергии e = q/v8 (Дж/м,2) как более информативный, чем

показатель погонной энергии q/v, измеряемый в Дж/м. Исполь­зование при анализе разных методов сварки показателей удель­ной энергии е, Дж/м2, стимулирует выбор перспективных в от­ношении энергоемкости процессов и источников энергии.

Примеры расчетов

Определение удельной энергии Єст ДЛЯ различных способов сварки. Основные физические свойства металлов и сплавов приведены в табл. 1.5.

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 темпера-

туре его плавления составляет ДЯ = у(спл7’пл + <7пл), где у — плотность; спл — удельная теплоемкость; <7пл — скрытая теп­лота плавления 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 АН на ширину В расплав­ленной зоны: єст = АНВ, Дж/мм2. Принимая ширину такого шва равной диаметру прутка, приближенно получаем, исполь­зуя округленные значения в табл. 1.5:

ест = 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 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 еСт = 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, около 1 мм, или ест = 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:

есх = 1 -6000 Дж/см2 = 60 Дж/мм2.

Сопоставление энергозатрат при рассмотренных способах сварки показывает, что способы сварки давлением менее энер­

гоемки 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.