ТЕОРИЯ сварочных процессов

Классификация процессов сварки

ПРИЗНАКИ КЛАССИФИКАЦИИ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

При классификации процессов сварки целесообразно выде­лить три основных физических признака: наличие давления, вид вводимой энергии и вид инструмента — носителя энергии. Осталь­ные признаки можно условно отнести к техническим или техно­логическим (табл. 1.1). Признак классификации по наличию дав­ления применим только к сварке и пайке. По виду вводимой в изделие энергии все сварочные процессы, включая сварку, пайку, резку и др., могут быть разделены на термические, термомехани­ческие и прессово-механические способы.

Термические процессы идут без давления (сварка плавле­нием), остальные — обычно с давлением (сварка давлением).

Термины «класс», «метод», «вид», «способ» условны, но будут использованы в классификации, они позволяют в дальнейшем

ввести четкую систему типизации процессов сварки. Термин «процесс» используют как независимый от классификационных групп.

Классификация методов сварки по физическим признакам приведена в табл. 1.2. Физические признаки—общие для всех методов сварки. Технические признаки могут быть определены только для отдельных методов сварки.

Энергетический анализ показывает, что все известные в на­стоящее время процессы сварки металлов осуществляются вве­дением только двух видов энергии — термической и механиче­ской или их сочетания. Поэтому в группу особых процессов пока могут быть включены только нейтронная сварка пластмасс и (условно) склеивание, которое практически происходит без вве­дения энергии. Сварка вакуумным схватыванием (не в отдельных точках, а по всему стыку) возможна только при наличии сдавли­вания, поэтому она также отнесена к механическим процессам, хотя при сварке здесь энергия может даже выделяться, а не вводиться извне.

Сложившийся годами термин «сварка давлением» не совсем точен, так как давление в этих процессах — не единственное внешнее воздействие. Однако он общеупотребителен. Давление необходимо всегда, когда при сварке отсутствует ванна рас­плавленного металла, и сближение атомов (их активация) дости-

гается вследствие упругопластической деформации материала поверхностей.

Следует отметить, что и при наличии давления может проис­ходить расплавление металла, например, при термитной сварке с давлением, контактной точечной н шовной сварке с образова­нием литого ядра, стыковой сварке оплавлением, сварке тре­нием и др.

Весьма желательно, чтобы принцип классификации процессов сварки определялся какими-либо количественными технико-эко­номическими признаками. Такими признаками могут быть:

значения удельных энергий — сварочной есв или введенной в изделие е„;

удельные затраты на сварку С.

Удельные показатели можно подсчитывать отдельно по каж­дой группе соединений, свариваемых материалов и т. д. Затраты следует относить к так называемой рабочей площади соединения S, которая в случае сварки встык соответствует продольному сечению шва без выпуклости. Для нахлесточных соединений пло­щадь 5 соответствует сечению меньшего из соединяемых эле­ментов (см. рис. 1.7). Для дуговой сварки в один проход мате­риала толщиной б при токе, напряжении и скорости сварки соот­ветственно I, U, vCB удельная энергия

есв= UI/{vCBb).

Расчеты значений удельных энергий есв и є„ показывают, что удельная энергоемкость процесса сварки единицы площади стыка

Электроконтактные

имеет тенденцию уменьшаться при переходе от термических к механическим процессам (см. рис. 1.9). Значение є„=єсвт]и характеризует также количество переплавленного или разогрето­го материала на единицу площади шва, а следовательно, объем активной зоны сварного соединения, в которой произошли суще­ственные изменения состояния материала, деформация соедине­ния и т. д. Этот показатель может быть использован наряду с по­гонной энергией q/v.

Анализ типовых структурных схем передачи энергии при раз­ных сварочных процессах (табл. 1.3) позволяет обосновать пред­лагаемую выше классификацию. Например, при дуговой сварке электрическая энергия ЭЛ из сети проходит следующий путь:

трансформируется в сварочном трансформаторе или генера­торе для получения нужных параметров тока и напряжения;

преобразуется в дуговом разряде в термическую Т, электро­магнитную ЭМ, электрическую ЭЛ, энергию плазмы Я;

термическая энергия плазмы Ят= Us --2kT„ и потенциальная энергия электронов (р преобразуются на поверхности анода изде­лия в термическую энергию расплавленного материала свароч­ной ванны (здесь Ua — анодное падение напряжения; k — по­стоянная Больцмана; Тп — температура плазмы столба дуги; (р — работа выхода электронов для анода);

изменяет внутреннюю энергию соединения, расходуясь на образование новых атомных связей, новых структур материала, деформацию и нагрев изделия, и т. д.

ТЕРМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Для всех термических процессов сварки, независимо от вида носителя энергия (инструмента), в стык она вводится в конечном итоге всегда через расплавленный материал. Энергия хаотически движущихся частиц расплавленного материала носит в термоди­намике название термической, чем обосновано наименование этих процессов.

Теория термических процессов и их применение описаны в гл. 2...3 достаточно подробно. Исключение составляют хими­ческие процессы газовой и термитной сварки, индукционная и электрошлаковая сварка, которые рассмотрены в соответствую­щих технологических курсах.

Термомеханические процессы

К термомеханическим процессам относятся процессы, идущие с введением теплоты и механической энергии сил давления при осадке. Теплота может выделяться при протекании электриче­ского тока, газопламенном или индукционном нагреве, введении в зону сварки горячего инструмента и т. п. Сварка может вестись как с плавлением металла (частичным или по всему соедине - нию), так и без плавления. Эти процессы подробно описаны в технологических курсах.

Сокращение затрат энергии благодаря рациональному выбору источника энергии для сварки даже на несколько процентов может дать в масштабах страны существенную экономию энер­гии, что в свете постоянно растущего дефицита энергии на Земле приобретает с каждым годом все большее значение.

Эффективность использования способов сварки плавлением достигается при минимальной ширине шва, что, в свою очередь, определяется концентрированностью источника теплоты (радиу­сом пятна нагрева) и теплофизическими особенностями проплав­ления. Эти особенности учитываются при определении энерго­затрат на сварку через термический к. п. д. процесса, а получен­ные выше минимальные оценки удельной энергии составляют лишь часть общей энергии сварки, или єст = т)иг)/єсв. Учет эффек­тивного и термического к. п. д. процессов может изменить пред­ставления о целесообразности применения того или иного спосо­ба сварки при прочих условиях. Так, дуговая сварка с высокими значениями эффективного к. п. д. (0,6...0,9) характеризуется низ­кими значениями термического к. п. д. (0,15...0,25). Лазерная сварка, характеризующаяся высокими значениями термического к. п. д. (0,484), в термодинамическом смысле сопоставима с ду­говыми способами, а с учетом получения высоких значений эффективного к. п. д. — более предпочтительна.

Сопоставим удельные энергозатраты на сварку листов низко­углеродистой стали толщиной 10 мм различными способами (табл. 1.4). Минимальное энергосодержание расплавленной ста­ли составляет около 9000Дж/см3.

Полученные оценки приближенны, так как даже для одного и того же процесса на разных режимах сварки энергозатраты мо­гут различаться в 1,5...2 раза, что определяется параметрами ре­жима и свариваемого сплава. Кроме того, к. п. д. источника теплоты непостоянен ввиду его зависимости от скорости сварки, состояния поверхности и др. Для одного и того же источника энергии, например, при контактной сварке внутреннее сопротив­ление машины может отличаться в 10 раз и соответственно этому изменяться к. п. д. источника.

ТРЕБОВАНИЯ К ИСТОЧНИКАМ ЭНЕРГИИ

ДЛЯ СВАРКИ

Классификация сварочных процессов показывает, что каждая их группа может быть реализована с помощью определенного источника энергии.

Для выполнения качественной сварки этот источник должен отвечать требованиям технологической и конструктивной целесо­образности применения, экономичности преобразования энер­гии, ограничения вредных побочных эффектов при сварке и т. п.

Источники энергии для термических процессов сварки плавле­нием (луч, дуга, пламя и др.) должны обеспечивать концентра­цию тепловой энергии и температуру в зоне сварки или пятне нагрева заданных размеров, достаточные для плавления мате­риала и провара его на требуемую глубину, но без интенсивного испарения.

Источники энергии для термомеханических и механических процессов сварки давлением (контактная, термопрессовая, холод­ная и другие виды сварки) должны обеспечивать концентрацию тепловой или механической энергии в зоне сварки, а также дав­ление, достаточные для создания физического контакта, активации и химического взаимодействия атомов соединяемых поверх­ностей.

Должны также обеспечиваться физическая или физико-хими­ческая защита зоны сварки от окружающего воздуха и другие технологические условия, специфические для каждого метода сварки.

ПРЕССОВО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

В основе всех прессово-механических процессов лежит плас­тическая деформация, создаваемая тем или иным способом в зо­не сварного соединения.

Для пластичных материалов возможна деформация в холод­ном состоянии (холодная сварка), при увеличении свариваемых сечений и повышении прочности свариваемого материала (сталь) для уменьшения усилий деформирования и повышения пластич­ности материала его предварительно подогревают (кузнечная сварка).

В ряде случаев нагрев свариваемых изделий осуществляется в результате преобразования первичной механической энергии в тепловую (сварка трением, ультразвуковая сварка).

Давление в прессово-механических сварочных процессах мо­жет осуществляться как при помощи мощных пневмогидравли - ческих устройств, так и за счет энергии взрыва (сварка взры­вом) .