Неровный В.М. Теория сварочных процессов (Неровный, Коновалов, Куркин - Теория сварочных процессов), страница 6

п. Источники энергии для сварки плавлением (луч, дуга, пламя и др.) должны обеспечивать в зоне сварки (пятне нагрева заданных размеров) концентрацию тепловой энергии и температуру, достаточную для плавления материала и провара его на требуемую глубину, но без интенсивного испарения. Источники энергии для сварки давлением (контактной, термопрессовой, холодной и др.) должны обеспечивать концентрацию тепловой илн механической энергии в зоне сварки, а также давление, достаточное для создания физического контакта, активации соединяемых поверхностей и химического взаимодействия атомов в зоне контакта.

Должны быть также обеспечены физическая или физико-химическая защита зоны сварки от окружающего воздуха и другие технологические условия, специфические для каждого метода сварки. 1.4.5. Прессово-механические процессы В основе всех прессово-механических процессов лежит пластич ическая деформация, создаваемая тем нли иным способом в зоне сварного соединения. дця пластичных материалов возможна деформация в холодном состоянии (холодная сварка). При увеличении сечений свариваемых деталей и повышении прочности сварнваемого материала (стали) ддя уменьшения усилий деформирования и повышения пластичности материала его предварительно подогревают (кузнечная, диффузионная 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 пневмогидравлических устройств, так н за счет энергии взрыва (сварка взрывом).

1.5. Требования к источникам энергии для сварки н оценка нх эффективности 1.5.1. Оценка энергетической эффективности процессов сварки При выборе источника энергии для сварки конкретных изделий следует учитывать техническую возможность применения данного источника, эффективность процесса (энергетическую и экономическую), а также качество и надежность получаемых изделий. Концентрация энергии для источников термических процессов может оцениваться плотностью мощности в пятне нагрева. Наи- 8 2 большую плотность мощности (до 1О Вт/мм и выше) при пятне -б г нагрева площадью до 10 мм могут иметь лазерный и электронный лучи (табл.

1.6). Таблица 1.4. Энергетические характеристики некоторых термических источников энергии для сварки н резки 30 31 Окончание табл. 1.6 Наибольшая плотность мощности а пятне, Вт1мм Температура пламени или дуги, К Наименьшая площадь награаа, мм Источники энергии Дуга в парах: щелочных металлов железа Дуга в газах; 4500-5000 5000-6000 1 1О 1.!О 5000-8000 1.10 1 !О водород, азот 6000-!0000 10000-20000 аргон, гелий Микроплаэменная дуга !.

!04 1 !О Электронный луч Лазерный луч ! !О 1 10 1 10 1 10 Примечание. Понятие температуры для луча нехарактерно, так как в этом случае движение частиц в основном направленное, а не хаотичное. 1.5.2. Расчет энергоемкости процессов сварки Расчеты показали, что для многих видов соединений и материалов механические и термомеханические процессы требуют значительно меньше энергии, чем термические процессы при сварке плавлением. Например, при сварке встык стальных стержней диаметром 20 мм дуговым ванным способом необходимая удельная 2 энергия со, = 1800 Дяо'мм; при контактной стыковой сварке оплав- 32 Однако сварка возможна только до плотности мощности 3 4 2 10 ...10 Вт1мм, так как ббльшие плотности мощности приводят к выплескам и интенсивному испарению материала, полезному лишь при резке и размерной обработке изделий. Плотность мощности луча и энергетические коэффициенты наплавки, расплавления и другие (см.

гл. 3) пригодны для оценки только отдельных видов источников энергии или методов сварки. Для оценки эффективности разных классов сварочных процессов и разных методов сварки и пайки целесообразно использовать удельные энергии с„ и сщ необходимые при сварке данного соединения. 2 м г, = 400 дж1мм; при сварке трением с„= 130 Дж1мм . Для сварки встык пластин из алюминиевого сплава толщиной 5 мм требунэтся следующие значения удельной энергии соа: при аргоноду- 2 говой сварке = 300 Дэну мм; при контактной сварке = 200 Дж1мм; 2 при холодной сварке = 30 Дж1мм, Расчет удельной энергии с„для разных методов сварки плавлением коррозионно-стойкой стали типа 18 — 10 (рис.

1.9) показал, что с увеличением толщины изделия удельная сварочная энергия резко растет при использовании многослойой сварки Например аргонодуговая 800 сварка вольфрамовым (АДВ) электро- АЛВ дом обеспечивает получение стыкового сварного соединения для листов толщи- / ДФ ной 15 мм при общих затратах энергии 2 ПД на все проходы до 1000 Дж1мм . Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) благодаря 200 ЭЛС кинжальному проплавлению за один проход позволяет соединить встык лис- 0 10 20 30 б, мм ты толщиной от 1О до 50 мм практически при одной и той же удельной энер- Рис. 1.9. Средние значения пщ 30...60 дж1мм2. Использование удельной энергии аяь прн сварке листов стали типа плазменном дуги (ПД) " дугового Разрв 18 — 10 толщиной до 50 мм да в вакууме (ВД) при узкой Разделке различнымн способами позволяет потреблять при сварке мень- 2 ще удельной энергии (с„= 150...300 Дж1мм ), чем для дуги под флюсом (ДФ), для которой в зависимости от разделки кромок тре- 2 буется ео = 400...

600 Дж1мм . СРавнение значений си и собщ длЯ однопРоходной сваРки стали показывает, что с„с уменьшением интенсивности источника воз- 2 Растает примерно от 3... 5 Дж1мм для лазернои сварки до 200...400 Дж1мм для газового пламени. В то же время общие за- 2 траты энеРгии е бщ, в котоРых УчитываютсЯ, напРимеР, энеРгоза~раты на вакуумирование для электронного луча (площадь сечения соединения = 500 мм ) и при КПД лазера (= 1...15 %), в десятки Раз выше для этих источников, чем для дуги в аргоне или для газового пламени (рис.

1.10). 33 е, Дж/мм 104 103 10' 10 Рис. 1.10. Средние значения удельных энергий сл н с,вн, необходимых для однопроходной сварки стали различными методами Пример 1.1. Определить удельную энергию а„для различных способов сварки. Основные физические свойства металлов и сплавов приведены в табл. !.7. Решение. 1. Сварка плавлением. Рассмотрим сварку плавлением встык ванным способом двух алюминиевых стержней диаметром 20 мм. Согласно обобщенной схеме баланса энергии 1см.

рис. 1.6), существует внешний источник энергии, которая вносится в зону сварки с расплавляемым электродным металлом. Удельное объемное теплосодержание расплавленного металла при температуре его плавления составляет ЬН = = р(с„,Т„„+ длл), где р — плотность; сш — удельная теплоемкость; Т„„— температура плавления, 'С; 䄄— скрытая теплота плавления металла. Минимальная удельная энергия, требуемая для сварки ванным способом, определяется как произведение ЛН и объема зоны (сварочной ванны) расплавленного металла, деленное на площадь сечения шва, т.

е. как произведение ЛН и ширины В расплавленной зоны: а = ЛНВ. Принимая ширину такого шва равной диаметру прутка, получаем а„= 2,7 (1 660 л-390) 2 = 5670 Дж/см = 56,7Дж!мм . 2. Контактная стыковая сварка оллавлениеи. В данном случае существует внутренний источник энергии — тепловыделение на контактном сопротивлении, Различие в минимальной требуемой энергии определяется 1по сравнению со сваркой плавлением) лишь размерами расплавляемой зоны. Используя исходные данные примера сварки плавлением, находим, что при глубине осадки по 5 мм минимальная удельная энергия составит; а„= 28,35 Дж/мм~. Ю о Ю Ю и и Ю О Ю ь л и Ф и.

о ь и о Ф и Ф Ю и \З О Ю Ф Ф и к и и 3. Сварки трениеэк Ширина зоны нагрева от «внутреннего» источника энергии лри сварке трением значительно ниже, чем при контактной сварке оплавленнем. Кроме того, процесс формирования шва обычно протекае~ при температурах, близких к температуре плавления сплава, но не превышающих ес, т. е.

без затрат на скрытую теплоту плавления. При обшей ширине пластической зоны формирования соединения около 5 мм минимальная удельная энергия составит вс = 2,7 660 0,5 = 89! Дж/см = 9 Дж?мм~. 4. Холодная сварка, Имеем «внутренний» источник энергии. Преобразование энергии сжатия деталей происходит в некотором активном объеме с одинаковой глубиной по обеим сторонам от шва.

Энергия, требуемая для сварки, в данном случае также определяется как произведение среднего теплосодержания лри температуре стыка около 600 'С (для алюминия) и глубины ак~ивной зоны, равной = ! мм: е„=- 2,7 600 О, ! . 2 = 324 Дж!см = 3,24 Дж/мм . 5. Сварка взрывазз Экспериментально установлено, что для сварки алюминиевых пластин толщиной 1 мм требуется около ! г взрывчатого 2 вещества на 1 см плошади соединяемых деталей.

Учитывая, что удельная энергия для взрывчатого вещества составляет = 6000 Дж/г, получаем ориентировочную оценку: а,„= 1 6000 Дж/см = 60 Дж! мм . Сопоставление энергозатрат при рассмотренных способах сварки показывает, что способы сварки давлением менее энергоемки по сравнению со сваркой плавлением. Немаловажно и то, что при сварке в твердой фазе не требуется расходовать энергию на расплавление металла, что экономит около !5...30',4 энергии.

Контрольные вопросы !. Какие существуют межатомные связи, какова их природа? 2. Каковы особенности ковалентной, ионной,металлической и молекулярной связей? Как этн особенности влияю~ на физические свойства кристаллов? 3. Какова сущносзь стадийносси сварки? 4. В чем заключается основное отличие сварки плавлением от сварки давлением? 5. В чем состоит основное отличие сварки плавлением от пайки? 6. В чем заключается основное отличие пайки от склеивания? 7. Чем отличаемся физическое определение сварки от термодннамнческого? 8.