УП ФОИЭС (Учебное пособие ФОИЭС Неровный), страница 4

Вместе с тем, именноэнергия 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, термомеханические и механические процессы.Пользуясь первым началом термодинамики, можно подсчитать изменение внутренней энергии системы соединяемых элементов, теоретически необходимое дляобразования монолитного соединения при данных конкретных условиях: источникеэнергии, материале изделий, конструкции соединения и т. д.1.3.2.

Типовой баланс энергии при сваркеДля количественной оценки процессов передачи и термодинамического преобразования энергии при разных видах сварки необходимо наметить обобщенную схему баланса энергии. Такая схема включает следующие основные ступени передачиэнергии (рис. 1.6): сеть питания; источник энергии для сварки или преобразовательэнергии ПЭ; носитель энергии — инструмент, передающий энергию от трансформатора к зоне сварки (резки или напыления); изделие — зона сварки (стык соединяемыхдеталей).При изучении преобразования энергии в сварочных процессах удобно использовать удельную энергию ε, определяемую в расчете на единицу площади соединения (рис.

1.7).14Обозначения удельной энергиина различных стадиях преобразования в схеме баланса энергии принятыследующие:εвх — энергия, получаемая сварочной установкой от сети питания;она может использоватьсянепосредственно на сварку εсв и вспомогательные операции εвсп (рис.1.6).П1 - потери энергии в сварочномисточнике, с их учетом энергия εсвсоставит:Рис.

1.6. Обобщенная схема баланса энергииεсв = εвх – П1,сварочного процессаП2 — потери в инструменте при передаче энергии изделию; εи – энергия, введенная в изделие: εи = εсв – П2;П3 — потери энергии в изделии на теплопроводность; П4 — потери уноса (сиспарившимся или выплавленным материалом).εст — энергия, аккумулированная в зоне стыка: εст = εи –(П3 + П4);Рис. 1.7. Схема выбора рабочей площади S для расчета удельной энергиисварки стыковых (а), нахлесточных (б) и крестообразных (в) соединенийПотери уноса характерны главным образом для резки, но могут возникать и привысокоинтенсивных процессах лучевой сварки.Отдельные элементы в схеме передачи энергии в зависимости от вида процесса могут существенно изменяться и даже отсутствовать совсем. Например, носительэнергии (инструмент) в термических процессах — луч, дуга или пламя, а при контактной сварке — сам нагретый металл в зоне контакта.1.3.3.

КПД сварочных процессовКаждая ступень передачи энергии от источника к изделию может иметь свой коэффициент полезного действия (КПД). Из теории распространения теплоты при сварке известны эффективный ηи и термический ηt КПД процесса, которые принято выражать следующим образом:ηи = εи/εсв; ηt = εст/εи.15Кроме того, по мере накопления данных по энергетическому анализу всех процессов сварки в дальнейшем целесообразно ввести термодинамический КПД процесса ηтд = εст/εсв= ηиηt, который по форме аналогичен КПД процесса проплавления(например, при дуговой сварке листов), однако он имеет здесь более общий характер.

Термодинамический КПД сварочного процесса показывает отношение минимальной удельной энергии ε ст , необходимой в зоне сварки для выполнения данногосоединения, к требуемой энергии сварочного источника, передаваемой инструменту.Удельная энергия εст соответствует в данном случае изменению энергосодержаниязоны стыка, отнесенному к площади получаемого за счет энергии соединения.Представляет интерес сравнение введенной в изделие удельной энергии εи иудельной энергии εр, необходимой для разрушения полученного сварного соединения.Их отношение будет приближенно характеризовать некоторый физический КПД процесса соединения материала: ηф = εр/εи.В связи с изложенным целесообразно сравнивать по вводимой энергии все существующие процессы сварки.

Этот критерий поможет выявить общие физическиезакономерности, связывающие их между собой.1.4. Классификация процессов сварки1.4.1. Признаки классификации сварочных процессовПри классификации процессов сварки целесообразно выделить три основныхфизических признака: наличие давления, вид вводимой энергии и вид инструмента —носителя энергии. Остальные признаки можно условно отнести к техническим илитехнологическим (табл.1.2).Таблица 1.2.

Признаки и ступени классификации сварочных процессовНаименованиеСодержаниепризнакапризнакаФизическиеНаличие давления присваркеВид энергии, вводимой присваркеВид нагрева или механического воздействия (видинструмента)Устанавливаются для каждого метода отдельноТехническиеТехнологическиеТехнико-экономическиеТо жеСтупени классификации ипорядокрасположенияпроцессовКлассПодклассМетодГруппаПодгруппаВидРазновидностьСпособПриёмУдельная энергия, необ- Устанавливается порядокходимая для соединения, в расположении методовсварки от механических кудельные затраты и. т.п.термическим процессам поувеличению ε16Такая классификация использована в ГОСТ 19521-74.

Признак классификациипо наличию давления применим только к сварке и пайке. По виду вводимой в изделие энергии все сварочные процессы, включая сварку, пайку, резку и др., могут бытьразделены на термические, термомеханические и механические.Термические процессы идут без давления (сварка плавлением), остальные —обычно с давлением (сварка давлением).Термины «класс», «метод», «вид», «способ» условны, но будут использованы вклассификации, 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.1.3.

Физические признаки — общие для всех методов сварки. Технические признакимогут быть определены только для отдельных методов сварки.Анализ энергетического баланса показывает, что все известные в настоящеевремя процессы сварки металлов осуществляются введением только двух видовэнергии — термической и механической или их сочетания.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.Таблица 1.3.

Классификация методов сварки металлов пофизическим признакамКласс сваркиМетоды сваркиСветовая*Сварка плавлением Дуговая*Индукционная(термическийпро- Электрошлаковая*ГазоваяЭлектронно-лучеваяцесс)ТермитнаяПлазменно-лучеваяЛитейнаяИонно-лучеваяТлеющим разрядомДугопрессоваяСварка давлением Контактная *ШлакопрессоваяДиффузионная*Термитно-прессоваяИндукционно-прессовая(термомеханическийПечнаяГазопрессоваяпроцесс)Термокомпрессионная(механический проХолоднаяТрениемцесс)ВзрывомМагнитоимпульснаяУльтразвуковаяВакуумным схватыванием*** Рекомендуется дополнительная классификация по техническим и технологическим признакам.** Промышленного применения метод не нашел.Сложившийся годами термин «сварка давлением» не совсем точен, так какдавление в этих процессах — не единственное внешнее воздействие.

Однако онобщеупотребителен. Давление необходимо всегда, когда при сварке отсутствуетванна расплавленного металла, и сближение атомов (их активация) достигаетсявследствие упругопластической деформации материала поверхностей.Следует отметить, что и при наличии давления может происходить расплавле-17ние металла, например, при термитной сварке с давлением, контактной точечной ишовной сварке с образованием литого ядра, стыковой сварке оплавлением, сваркетрением и др.Весьма желательно, чтобы принцип классификации процессов сварки определялся какими-либо количественными технико-экономическими признаками.

Такимипризнаками могут быть: значения удельных энергий — сварочной εсв или введенной визделие εи; 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 S соответствует сечению меньшего из соединяемых элементов (см. рис. 1.7). Для дуговойсварки в один проход материала толщиной δ при токе, напряжении и скорости сваркисоответственно I, U, vсв удельная энергияεсв = U·I/(vсв·δ).Расчеты значений удельных энергий εсв и εи показывают, что удельная энергоемкость процесса сварки единицы площади стыка имеет тенденцию уменьшатьсяпри переходе от термических к механическим процессам (см.

рис.1.8). Значение εи =εсв·ηи характеризует также количество переплавленного и разогретого материала наединицу площади шва, а следовательно, объем активной зоны сварного соединения,в которой произошли существенные изменения состояния материала, деформациясоединения 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. 1.4) позволяет обосновать предлагаемую выше классификацию. Например, при дуговой сварке электрическая энергия ЭЛ из сети проходит следующийпуть:- преобразуется в сварочном источнике питания или для получения нужных параметров тока и напряжения;преобразуется в дуговом разряде в термическую Т, электромагнитную ЭМ, электрическую ЭЛ;- поступает в зону сварки в виде теплоты изменяя внутреннюю энергию соединения, расходуясь на образование новых атомных связей, новых структур материала,деформацию и нагрев изделия, и т.

д.18Таблица 1.4. Типовые структурные схемы преобразования энергии в сварочных процессах (потери энергии не указаны)Примечание. Виды энергий: Д- деформационная; К – квантовая; М- механическая; ПЭ – энергия направленного потока электронов; Ттепловая; ЭЛ- электрическая; ЭМ – электромагнитная; Х- химическая; ΔС - энергия, выделенная в зоне стыка19Рис. 1.8. Удельная энергия εи, требуемая длявыполнения однотипных стыковых соединенийс применением разных сварочных процессов1.4.2. Термические процессыДля всех термических процессов сварки, независимо от вида носителя энергия(инструмента), в стык она вводится в конечном итоге всегда через расплавленныйматериал.

Энергия хаотически движущихся частиц расплавленного материала носитв термодинамике название термической, чем обосновано наименование этих процессов.Теория термических процессов и их применение описаны в гл. 2 и 3 достаточноподробно. Исключение составляют химические процессы газовой и термитной сварки, индукционная и электрошлаковая сварка, которые рассмотрены в соответствующих технологических курсах.1.4.3. Термомеханические процессыК термомеханическим сварочным процессам относятся процессы, идущие свведением 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 соединению), так и безплавления.