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

Оценка эффективности источников энергии

109

10s

10s

101

ю7

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

єсв, Дт/ммг

Оценка эффективности источников энергии

Рис 1.7. Средние значения удельной энергии £св, Дж/мм2, необходимой прн сварже стали 18-8, 6—40 мм разными методами

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

Оценка эффективности источников энергии

є, Дж/мм 2

J

2

1

О

Рис 1 8 Порядок величин удельной энергии 8Н н еобщ’ Дж/мм2, необходимой для однопроходной сварки стали различными мето­дами евсм^ля ЭЛС подсчитано с учетом вакуумирования ка­меры и сварки соединения сечением около 1000 мм2 Обозна чения см подпись под рис 1 6, ЛЛ — лазерный луч

19
4

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

Оценка эффективности источников энергии

Рнс. 1.9. Удельная энергия ен требуемая для выполнения одно­типных стыковых соединений с применением разных процессов

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-

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕКОТОРЫЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Темпера­тура, К

Плотност

г/см3

ь,

Теплоемкость,

Дж/(г-К)

Теплопроводность, Вт/(см • К)

Удельное электро­сопротивление, НкОМ'СН

Теп­

лота

По-

верх-

ност-

Материалы

соли

дуса

лик­

видуса

V298

vs

УБ

е298

cs

CL

*298

*5

Р298

Р 5

Р L

пл яв­ления L, Дж/г

ное

натя­

жение

аБ,

мН/см

Сплавы железа:

Fe

1810

1810

7,87

7,1

7,0

0,44

0,7

0,69

0,79

0,33

0,34

9

130

135

270

18

низколегирован­

1723

1773

7,8

7,2

6,9

0,47

0,64

0,74

0,4

0,35

0,35

15

120

125

271

17,5

ная сталь

коррозионностой­

1673

1732

7,9

7,24

6,95

0,45

0,65

0,72

0,15

0,35

0,35

80

125

130

284

17,1

кая сталь Сплавы алюминия:

А1

1933

933

2,7

2,55

2,38

0,9

1,08

2,4

2,2

1,03

2,5

11

25

393

8,6

АМгб

858

903

2,64

1,1

1,3

1,0

1,35

1,0

6,7

384

7,0

АМц

916

927

2,73

0,91

1,6

0,88

4,1

388

7,65

Д 16

775

911

2,77

0,91

1,6

0,3

388

8,1

Сплавы титаиа: Ті

1941

1941

4,5

4,1

0,53

0,74

0,22

0,26

0,23

45

150

170

376

14

ВТ6

0,54

0,07

160

Сплавы меди:

Си

1356

1356

8,93

8,3

0,38

0,47

4,0

3,5

3,5

3

9

21

200

13

Л63

1173

1183

8,63

8,0

0,38

0,42

168

_

Mg

924

924

1,73

1,58

1,15

1,32

1,7

1,6

0,8

3

15

27

364

5,2

Примечание. Индексы 298, S и L идентифицируют температуру 298 К, солндуса и ликвидуса соответственно.

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.

СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Сварочный аппарат стыковой сварки пластиковых труб

Сварочный аппарат стыковой сварки пластиковых труб! Вы искали новый сварочный аппарат? Возможно, вы захотите воспользоваться возможностью купить его у нас. Мы также продаем высококачественные пластиковые трубы ПНД, такие как ПЭ …

Аппарат для сварки: какой выбрать

Самый популярный способ крепления металлических деталей – сварка. И заниматься ею можно не только во промышленных масштабах. В быту сварочные работы используются также часто, причем речь не всегда о сварщиках, …

Расходные материалы, необходимые для сварки

Чтобы выполнить сварку прочно и качественно, недостаточно иметь только сварочный аппарат. Дополнительно потребуется подобрать расходные материалы с учетом вида свариваемого металла. Перед началом работы определите, что именно вам нужно, и …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Партнеры МСД

Контакты для заказов шлакоблочного оборудования:

+38 096 992 9559 Инна (вайбер, вацап, телеграм)
Эл. почта: inna@msd.com.ua

За услуги или товары возможен прием платежей Онпай: Платежи ОнПай