УП ФОИЭС (Учебное пособие ФОИЭС Неровный), страница 5

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 наЗемле приобретает с каждым годом все большее значение.Эффективность использования способов сварки плавлением достигается приминимальной ширине шва, что, в свою очередь, определяется концентрированностью источника теплоты (диаметром пятна нагрева) и теплофизическими особенностями проплавления. Эти особенности учитываются при определении энергозатратна сварку через термический КПД процесса, а полученные выше минимальные оцен-20ки удельной энергии составляют лишь часть общей энергии сварки, или εст = ηи·ηt·εсв.Учет эффективного и термического КПД процессов может изменить представления оцелесообразности применения того или иного способа сварки при прочих условиях.Так, дуговая сварка с высокими значениями эффективного КПД ηи = 0,6…0,8 характеризуется низкими значениями термического КПД ηt = (0,15…0,25).

Электроннолучевая сварка, характеризуется более высокими значениями ηи = 0,8…0,9 и ηt =(0,3…0,48). В термодинамическом смысле она более предпочтительна.Сопоставим удельные энергозатраты на сварку листов из низкоуглеродистойстали толщиной 10 мм различными способами (табл.1.5). Минимальное энергосодержание расплавленной стали составляет около 9000 Дж/см3.Таблица 1.5. Характеристики эффективности некоторыхспособов сваркиСредняя ши- МинимальнаяудельнаяринаСпособ сваркишва, смэнергиястыка, кДж/ см 3Предельное значение ко- Миниэффициентовмальнаяудельнаяηиηtэнергиясварки,кДж/ см 3Аргонодуговая218,00,4-0,70,18-0,22128,5Плазменная1,513,50,5-0,750,2-0,360,0Электроннолучевая0,87,20,7-0,850,2-0,4820,0Лазерная0,54,50,05-0,60,38-0,4216,01.4.5. Прессово- механические процессыВ 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 сечений свариваемых сечений и повышении прочности свариваемого материала (сталь) для 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 осуществлятьсякак при помощи мощных пневмогидравлических устройств, так и за счет энергиивзрыва (сварка взрывом).1.5. Требования к источникам энергии для сварки и оценка их эффективности1.5.1. Оценка энергетической эффективности процессов сваркиПри выборе источника энергии для сварки конкретных изделий следует учитывать техническую возможность применения данного источника, эффективность про-21цесса (энергетическую и экономическую), а также качество и надежность получаемыхизделий.Концентрация энергии термических источников может оцениваться плотностьюмощности в пятне нагрева.

Наибольшую плотность мощности — до 108 Вт/мм2 и вышепри пятне нагрева площадью до 10-6 мм2 — могут иметь лазерный и электронныйлучи (табл. 1.6).Однако сварка возможна только до плотности мощности 102…104 Вт/мм2, так какбольшие плотности мощности приводят к выплескам и интенсивному испарению материала, полезному лишь при резке и размерной обработке изделий. Плотностьмощности 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 иразных методов сварки и пайки целесообразно использовать значения удельнойэнергии εсв и εи, необходимой при сварке данного соединения.Таблица 1.6. Энергетические характеристики некоторых термическихисточников энергии для сварки и резкиНаименьшая НаибольшаяТемператураплощадьпламени илиИсточники энергииплотностьнагрева, мм2 мощности вдуги, Кпятне, Вт/мм2Газовое пламя2600-350015·102Топливно-плазменноепламяДуга в парах:щелочных металлов4000-500014500-500011·103железа5000-600011·103водород, азот5000-80001·10-11·103аргон, гелий6000-10000--5·102Дуга в газах:Микроплазменная дуга10000-200001·10-41·105Электронный луч—1·10-51·107Лазерный луч—1·10-61·108Примечание.

Понятие температуры в луче не характерно, так как движение частиц восновном направленное, а не хаотичное.1.5.2. Расчет энергоемкости процессов сваркиРасчеты показали, что для многих видов соединений и материалов механические и термомеханические процессы требуют значительно меньше энергии, чем присварке плавлением.

Например, при сварке встык стальных стержней диаметром 20мм дуговым ванным способом необходимо εсв ≈ 1800 Дж/мм2, при контактной стыковой сварке оплавлением εсв ≈ 400 Дж/мм2; при сварке трением εсв ≈ 130 Дж/мм2. Длясварки встык пластин из алюминиевого сплава толщиной 5 мм требуется εсв: при ар-22гоннодуговой сварке ≈ 300 Дж/ мм2; при контактной сварке ≈ 200 Дж/мм2; при холодной сварке ≈ 30 Дж/мм2.Расчет значений εсв для разных методов сварки плавлением коррозионностойкой стали типа 18—10 (рис. 1.9) показал, что с увеличением толщины изделияудельная сварочная энергия резко растет при использовании многопроходной сварки.Например, аргонодуговая сварка вольфрамовым (АДВ) электродом обеспечивает получение стыкового сварного соединения для листов толщиной 15 мм при общих затратах энергии на все проходы до 1000 Дж/мм2.

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС)благодаря кинжальному проплавлению за один проход позволяет соединить встыклисты толщиной от 10 до 50 мм практически при одной и той же удельной энергии30…60 Дж/мм2. Использование плазменной дуги (ПД) и дугового разряда в вакууме(ВД) при узкой разделке позволяет потреблять при сварке меньше удельной энергии(εсв = 150…300 Дж/мм2), чем для дуги под флюсом (ДФ), которая в зависимости отразделки кромок требует εсв = 400…600Дж/мм2.Сравнение критериев εи и εо для однопроходной сварки стали показывает, что εис уменьшением интенсивности источника возрастает примерно от 3…5 Дж/мм2 для лазерной сварки до 200…400 Дж/мм2 для газовогопламени.

В то же время общие затраты энергии εо, в которых учитываются, например,энергозатраты на вакуумирование для электронного луча (площадь соединения сечением ≈500 мм2) и при КПД лазера (≈ 1…15 %), вдесятки раз выше ля этих источников, чемРис.1.9. Средние значенияудельной энергии εсв при сваркедля свободной дуги в аргоне или для газовогостали типа 18-10 толщиной до 50пламени (рис.1.10).мм различными способамиПример 1.1. Определение удельной энергии εст для различных способовсварки. Основные физические свойства металлов и сплавов приведены втабл.

1.7.1. Сварка плавлением. Рассмотрим сварку плавлением встык ваннымспособом двух алюминиевых стержней диаметром 20 мм. Согласно обобщенной схеме баланса энергии (см. рис. 1.6, а) существует внешнийисточник энергии, которая вносится с расплавляемым электродным металлом. Удельное объемное энергосодержание расплавленного металлапри температуре его плавления составляет ∆Н = γ(спл·Тпл + qпл) где γ —плотность; спл — удельная теплоемкость; qпл — скрытая теплота плавления металла.23Рис.

1.10. Средние значения удельных энергий εи и εобщ, необходимых дляоднопроходной сварки стали различными методамиМинимальная удельная энергия, требуемая для сварки ванным способом,определяется как произведение ∆Н на объем зоны (ванны) расплавленного металла, деленное на площадь сечения шва, т. е. как произведение∆Н на ширину В расплавленной зоны: εст = ∆Н·В, Дж/мм2. Принимая ширину такого шва равной диаметру прутка, получаем:εст ≈ 2,7·(1·660 + 390)·2 = 5670 Дж/см2 = 56,7 Дж/мм2.2. Стыковая 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 исходные данные примера сварки плавлением,находим, что при глубине осадки по 5 мм минимальная удельная энергиясоставит 28,35 Дж/мм2.3. Сварка трением. Ширина зоны нагрева от «внутреннего» источникаэнергии при сварке трением значительно ниже, чем при контактнойсварке оплавлением. Кроме того, процесс формирования шва обычно протекает при температурах, близких к температуре плавления сплава, ноне превышающих ее, т.е.

без затрат на скрытую теплоту плавления. Приобщей ширине пластической зоны формирования соединения около 5 ммминимальная удельная энергия составит εст = 2,7·660·0,5 = 891 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, требуемаядля сварки, в данном случае также определяется как произведениесреднего энергосодержания при температуре стыка около 600 оС (дляалюминия) на глубину активной зоны, величиной около 1 мм, или: εст=2,7·600·0,1·2 = 324 Дж/см2 = 3,24 Дж/мм2.5.

Сварка взрывом. Экспериментально установлено, что для сваркиалюминиевых пластин толщиной 1 мм требуется около 1 г взрывчатоговещества на 1 см 2 площади соединяемых деталей. Учитывая, что удельная энергия для взрывчатого вещества составляет ≈ 6000 Дж/г, получаем ориентировочную оценку:εст = 1·6000 Дж/см2 = 60 Дж/мм2.Сопоставление энергозатрат при рассмотренных способахсварки показывает, что способы сварки давлением менее энергоемки по сравнению со сваркой плавлением. Немаловажно и то, что24при сварке в твердой фазе не требуется расходовать энергию нарасплавление металла, что экономит около 15…30 % энергии.Контрольные вопросы и задания1. Какие существуют межатомные силы связей, какова их природа?2.

В чем особенности ковалентной, ионной, металлической и молекулярной связей? Как эти особенности влияют на физические свойства кристаллов?3. В чем заключается сущность стадийности процесса сварки?4. В чем основное отличие сварки плавлением от сварки давлением?5. В чем основное отличие процессов сварки плавлением от пайки?6. В чем основное отличие процессов пайки от склеивания?7. В чем отличие физического определения процесса сварки от термодинамического?8. Назовите основные признаки классификации сварочных процессов.9.

В каких случаях целесообразно использовать при оценке энергетической эффективности процесса сварки значением удельной энергии?25Таблица 1.6. Физические свойства некоторых металлов и сплавовСплавы железа:FeНизколегированнаястальКоррозионно-стойкаястальСплавы алюминия:AlАМг6АМцД16Сплавы титана:TiВт6Сплавы меди:CuЛ63МагнийНикельУдельное элекросопротивление,Поверхностноенатяжение ,ТемператураКПлотность,г/см3солидусаTsликвидуса, TLγ293181218127,867,17,00,640,70,690,750,330,349,7130135172317737,837,26,90,470,640,740,480,350,351512012517,5167317327,97,246,950,490,650,720,150,350,358012513017,19338589167759339039279112,72,642,732,772,56-2,38-0,960,9211,090,837-1,091,3-2,21,171,801,742,21,35-1,031,00,88-2,766,74,14,311-25-390-8,67,07,858,11941-1941-4,514,43-4,1-0,5210,54-0,74-0,2190,080,26-0,23-58,1160150-170-358,5-16,5-1356117892417281356118392417288,948,51,748,98,63-8,38,01,58-0,3850,3851,0470,450,38-0,470,421,32-3,871,11,670,893,51,6-3,50,8-1,72915-2127-20535730013,55,817,7γsγLУдельная теплоемкость,Дж/(г·К)c293cscLТеплопроводность,Вт/(см·К)λ293λsмкОм · смρ293ρsρLλLТеплотаплавленияL, Дж/гσL,мДж/см4,466,8427018,5Примечание.