Неровный В.М. - Теория сварочных процессов

Теория сварочных процессов Пол редакцией В.М. Неровного Допущено УМО еуюе по униеереийчетекиму п~иитежничеекаму образоеинию е качеетее учебники дйй е~пуден~~ие еиещик учебник еиеедейий, Обучиющихся пи няц3иелекию пидеиуРюбки диплимириеийник епеииили~йие чМищийоепцч~инчеленые йчекнийоеии и ебируднеийие~, епеииилнноепн ч Обифудиеиние и пи кйиниеий сииричниеи пфиижидепмм2~ соединение Рис. 1.4. Схема термодинамическнх преврашений энергии и вешества при сварке вещества необходимо только при некоторых видах сварки плавлением и пайки, причем энергия в этих случаях может быть введена также с расплавленным металлом. Характер движения (переноса) вещества в зоне сварки сильно меняется от процесса к процессу. Движение значительно при сварке плавлением и пайке, особенно прн наличии присадочного материала.

При сварке давлением с нагревом металл в зоне стыка испытывает незначительные превращения и существенно только движение вешества 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 так называемое термодинамическое определение сварки: сварка — это процесс получения монолитного соединения материалов за счет термодинамического необратимого преобразования тепловой и механической 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 специальных источников энергии. Они реализуются обычно только за счет введения (превращения) вешества: клея, цемента и т. д. (рис. 1.5). Кроме самого общего, термодинамического, возможны и другие определения сварки. Например, в технологическом аспекте согласно ГОСТ 2601 — 84: сварка — это процесс получения неразьемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном нагреве или пласти- 20 Рис. 1.5. Схема получения монолитного соединения при сварке, пайке и склеивании ческом деформировании либо при совместном действии того и другого. Вместе с тем именно энергия и пути ее преобразования являются доминирующими факторами, которые определяют сварку как физико-химическое явление.

Рассмотрение термодинамической структуры сварочных процессов позволяет подразделить их по виду введенной энергии на термические, термомеханические и механические процессы. На основании первого закона термодинамики можно подсчитать изменение внутренней энергии системы соединяемых элементов, теоретически необходимое для образования монолитного соединения при данных конкретных условиях, в которые входят источник энергии, материал изделий, конструкция соединения и т.

д. 1.3.2. Типовой баланс энергии при сварке Для количественной оценки процессов передачи и термодннамического преобразования энергии при разных видах сварки необходимо наметить обобщенную схему баланса энергии. В нее входят следующие основные ступени передачи энергии (рис. 1.6): сеть питания; источник энергии для сварки или преобразователь энергии ПЭ; носитель энергии — инструмент, передающий энергию от источника энергии к зоне сварки (резки или напыления); изделие — зона сварки (стык соединяемых деталей). При изучении преобразования энергии в сварочных процессах удобно использовать удельную энергию е, определяемую в расчете на единицу площади сварного соединения Я (рис.

1.7). 21 поток в центре пятна нагрева в 2 — 3 раза выше, чем при аналогичных условиях нагрева открытой дугой. Экспериментально установлено, что с увеличением сварочного тока максимальный удельный тепловой поток д2,„возрастает, а коэффициент сосредоточенности й несколько уменьшается. Увеличение напряжения на дуге влечет за собой снижение как о2,я, так и/с Сжатые сварочные дуги. При обработке материалов плазменно-дуговыми методами эффективность нагрева во многом определяется особенностями формирования плазменной струи. При использовании плазменной дуги прямого действия, когда анодом является изделие, эффективность его нагрева, как правило, оказывается выше, чем в случае использования плазменной дуги косвенного действия (плазменной струи), когда анодом является сопло плазмотрона. Это различие определяется тем, что в первом случае мощность, выделяемая в анодном пятне и анодной области, используется на нагрев изделия, тогда как во втором случае — бесполезно расходуется на нагрев сопла плазмотрона.

Эффективный КПД плазменно-дугового нагрева изделия включает КПД плазмотрона 11, и КПД струи Чс: Ч ЧгЧс (5.31) КПД плазмотрона Ч зависит от его конструкции и режима работы и особенно сильно влияет на Ч при обработке плазменной дугой косвенного действия. КПД плазменной струи Ч, снижается с увеличением расстояния от среза сопла плазмотрона до изделия вследствие увеличения потерь тепловой энергии на теплообмен струи с окружающей средой. Эти потери резко возрастают при переходе от ламинарного режима течения струи к турбулентному.

Они увеличиваются также с увеличением расхода плазмооб ау ще о газа, так как возрастают потери тепловой энергии на теплообмен с окружающей средой и снижается температура стр азокиелородное пламя, При газопламенной обработке нагрев изделия осуществляется за счет конвективного и лучистого теплообмена между продуктами сгорания и нагреваемой поверхностью. При этом вклад лучистого теплообмена невелик и составляет 10...15;4 о общего теплового потока. Эффективная мощность газокислородного пламени определяется выражением (5.32) Чаи збоо' где Ч вЂ” эффективный КПД нагрева изделия газовым пламенем; Д— 3 низшая теплотворная способность горючего, кДж/м; Р— объемз ный расход горючего, м /ч. Значения величин, входящих в формулу (5.32), для различных видов горючего приведены в справочниках по сварке.

Эффективность нагрева изделия газовым пламенем зависит от разности температур пламени и металла, а также от скорости перемещения газового потока относительно поверхности нагрева. Чем больше разница температур и относительная скорость перемещения потока, тем выше эффективная мощность. С увеличением мощности пламени его эффективная тепловая мощность возрастает при некотором снижении КПД, связанном с уменьшением полноты сгорания горючего. С увеличением скорости перемещения горелки, толщины нагреваемого материала и его коэффициента температуропроводности снижается температура нагреваемой поверхности, поэтому эффективность ввода теплоты в изделие возрастает.

Угол наклона горелки также существенно влияет на эффективную тепловую мощность. Шлаковая ванна. Выделение теплоты при электрошлаковой сварке происходит вследствие прохождения тока через расплавленный шлак. Полная мощность, выделяемая в шлаковой ванне, может быть определена как (5.33) Чо=/ пш где / — сварочный ток, А; Яш — сопротивление шлаковой ванны, Ом. Тепловые потери при электрошлаковом процессе прежде всего связаны с отбором теплоты формирующими устройствами и излучением с открытой поверхности сварочной ванны. Эффективность нагрева изделия возрастает с увеличением толщины свариваемого металла, его температуропроводности и скорости сварки, так как теплоотвод в изделие при этом увеличивается. Электронно-лучевой нагрев. Электронно-лучевая обработка материалов основана на превращении в тепловую энергию кинетической энергии электронов при их торможении в поверхностных слоях твердого тела.

Эффективная тепловая мощность при электронно-лучевой обработке определяется как 200 201 (5.34) где т) — эффективный КПД нагрева изделия электронным пучком; (7 — ускоряющее напряжение, кВ; 1 — ток электронного пучка, мА. Потери энергии при электронно-лучевой обработке в основном связаны с отражением электронов от поверхности изделия и зависят главным образом от свойств обрабатываемого металла (его атомного номера и атомной массы).

Эти потери ориентировочно составляют 8...10 % мощности электронного пучка (луча) для алюминия и 30...40 ' ... 0,4 для вольфрама. Кроме того, часть мощности электронного пучка расходуется на термоэлектронную и вторичную эмиссии, тормозное рентгеновское излучение и испарение из ванны. Вместе эти потери энергии составляют несколько процентов. Эффективный КПД увеличивается с увеличением тока электронного пучка, что связано с уменьшением потерь с отраженными электронами. Электронно-лучевой нагрев отличается очень высокими значениями максимального удельного теплового потока (92 = 10 ...10 Вт/см ) и локальностью (коэффициент сосредоточенности можетдостигать8 10 см ).