ТЕОРИЯ сварочных процессов

Термодинамика и баланс энергии процесса сварки

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЦЕССА

СВАРКИ

Анализ физико-химических особенностей получения сварных и паяных соединений позволяет установить наличие в зоне свар­ки двух основных физических явлений, связанных с необратимым изменением состояния энергии и вещества (рис. 1.4):

введения и преобразования энергии;

движения (превращения) вещества.

Вид, интенсивность и характер преобразования вводимой энергии — вот главное, что определяет вид процесса сварки. Вве­дение энергии — всегда необходимое условие сварки, так как без этого невозможна активация соединяемых поверхностей. Введе­ние вещества необходимо только при некоторых видах сварки плавлением и пайки, причем энергия в этих случаях может вво­диться также с расплавленным материалом.

Характер движения (переноса) вещества в зоне сварки силь­но меняется от процесса к процессу. Движение значительно при сварке плавлением и пайке, особенно при наличии присадочного материала. При сварке давлением с нагревом материал в зоне стыка испытывает незначительные превращения и существенно только движение вещества через стык в результате диффузии. Холодная сварка реализуется практически без движения веще­ства, если не учитывать переползания дислокаций и выхода их на поверхность.

Исходя из сказанного, можно дать следующее термодинами­ческое определение процесса сварки.

Сварка — это процесс получения монолитного соединения материалов в результате введения и термодинамического необра­тимого преобразования энергии и вещества в месте соединения.

Склеивание, цементирование и другие соединительные про­цессы, обеспечивающие монолитность соединения, в отличие от сварки и пайки, как правило, не требуют введения энергии. Они реализуются обычно в результате введения и преобразования вещества (клея, цемента и т. д.) (рис. 1.5).

Кроме самого общего, термодинамического, возможны и дру­гие определения сварки, например сварка как технологический процесс создания сварных конструкций или как металлургиче­ский процесс и т. д. Однако именно энергия и пути ее преобра­зования — доминирующие факторы, определяющие характер процесса сварки как физико-химического явления.

Рассмотрение термодинамической структуры процессов свар­ки позволяет подразделить их по виду введенной энергии: на термические (Т), термомеханические (ТМ) и механические (М) процессы.

Пользуясь первым началом термодинамики (см. гл. 6), мож­но подсчитать изменение внутренней энергии системы соеди­няемых элементов, теоретически необходимое для образования монолитного соединения при данных конкретных условиях: источ­нике энергии, материале изделий, конструкции соединения и т. д.

ТИПОВОЙ БАЛАНС ЭНЕРГИИ ПРОЦЕССА

СВАРКИ

Для количественной оценки процессов передачи и термоди­намического преобразования энергии при разных видах сварки необходимо наметить обобщенную схему баланса энергии. Такая схема включает следующие основные ступени передачи энергии (рис. 1.6): сеть питания; источник энергии для сварки или транс­форматор энергии ТЭ носитель энергии — инструмент, передаю­щий энергию от трансформатора к зоне сварки (резки или напы­ления), и изделие — зона сварки (стык соединяемых изделий).

Здесь энергия w может быть выражена в джоулях, но удоб­нее использовать удельную энергию е, определяемую в расчете
на единицу площади соедине­ния (рис. 1.7).

Обозначение удельной энер­гии на различных стадиях ее преобразования в схеме балан­са принято следующее:

Вуст— энергия, получаемая сварочной /установкой от сети питания; она может использо­ваться непосредственно на сварку есв и вспомогательные операции Евс, необходимые для обеспечения сварки, например на вакуумирование;

е„*—энергия на входе трансформатора энергии ТЭ

Яі — потери энергии в трансформаторе;

е0Ь„ или есв — энергия на выходе ТЭ, передаваемая источни­ком инструменту, вводящему ее затем в зону сварки:

Ввых Ввх Я I,

Яг — потери при передаче энергии изделию; е„ — энергия, введенная в изделие:

є„=єсв— Я2;

Я з — потери энергии на теплопроводность в изделие; ест — энергия, аккумулированная в зоне стыка:

ест= еи — (Пз + Я4);

Я4 — потери уноса (с испарившимся илн выплавленным ма­териалом) .

Потери уноса характерны главным образом для резки, но могут возникать и при высокоинтенсивных процессах лучевой сварки.

Отдельные элементы в схеме передачи энергии в зависимости

от вида процесса могут существенно изменяться и даже отсут­ствовать совсем. Например, носитель энергии (инструмент) в термических процессах — луч, дуга или пламя, а при контактной сварке — сам нагретый металл в зоне контакта.

К. П. Д. СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

Каждая ступень передачи энергии от источника к изделию может иметь свой коэффициент полезного действия. Из теории распространения теплоты при сварке (см. гл. 5) известны эффек­тивный Т)и и термический Т|/ к. п. д. процесса, которые принято выражать следующим образом:

= е„/єсв; т1,= ест/еи.

Кроме того, по мере накопления данных по энергетическому анализу всех процессов сварки в дальнейшем целесообразно ввести термодинамический к. п. д. процесса:

Птд Сст/есв.

Этот к. п. д. по форме аналогичен к. п. д. процесса проплавления (например, при дуговой сварке листов), одиако он имеет здесь более общий характер, так как показывает отношение минимальной удельной энергии ест, необходимой в зоне сварки для выполнения данного соединения, к требуемой энергии источника на выходе трансформатора ТЭ. Удельная энергия ест соответствует в данном случае изменению энергосодержания зоны стыка, отнесенному к площади получаемого за счет энергии соединения.

Представляет интерес сравнение введенной энергии ен и энергии е,,, необхо­димой для разрушения полученного соединения. Отношение этих показателей будет приближенно характеризовать некоторый физический к. п. д. процесса соединения материала:

% = Ср/С»-

В связи с изложенным целесообразно сравнивать по вводимой энергии все существующие процессы сварки. Этот критерий поможет выявить общие физи­ческие закономерности, связывающие их между собой.