Материал: Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов

основные сварочные процессы, включая сварку, пайку и резку, разделены (табл. 1.2) на термические (Т), термомеханические (ТМ), термопрессовые (ТП), механические (М), прессово-ме­ ханические (ПМ). Признак классификации по наличию давле­ ния применим только к сварке и пайке.

Форма энергии, применяемой в источнике энергии для сварки (электрическая, химическая и др.), как классификацион­ ный признак не используется, так как он характеризует глав­ ным образом не процесс, а оборудование для сварки.

Т-процессы осуществляются без давления (сварка плав­ лением), остальные — обычно только с давлением (сварка дав­ лением). Указанные в табл. 1.1 термины (класс, метод, вид) условные, но, войдя в классификацию, они позволяют в даль­ нейшем вести четкую систему типизации процессов сварки. Тер­ мин «процесс» использован как независимый от классификаци­ онных групп.

Все известные в настоящее время процессы сварки металлов осуществляются за счет введения только двух видов энергии — термической и механической или при их сочетании. Поэтому

в четвертый подкласс особых процессов пока могут быть вклю­ чены только нейтронная сварка пластмасс и (условно) склеи­ вание, которое происходит без существенного введения энер­ гии извне. В табл. 1.2 эти процессы не указаны, так же как сварка восстановления из солей металлов, электролитическая сварка, сварка напылением и др.— весьма редко используемые процессы. В табл. 1.3 для примера даны виды дуговой сварки.

Под сварочными процессами в настоящее время понимают достаточно широкую группу технологических процессов соеди­ нения, разъединения (резки) и локальной обработки материа­ лов, как правило, с использованием местного нагрева изделий.

Дуга, луч, газовое пламя — внешние носители энергии, от которых энергия передается в изделие тем или иным способом. При термитной сварке разогрев происходит за счет внутрен­ него источника в результате преобразования в теплоту химиче­ ской энергии, выделяемой при реакции горения термита. Для всех термических процессов сварки плавлением (независимо от вида носителя энергии — инструмента) в стык энергия вводится всегда путем расплавления металла.

В термомеханических и механических процессах преобла­ дают внутренние носители энергии, в которых ее преобразова­ ние в теплоту происходит главным образом вблизи контакта соединяемых изделий — стыка.

1.3. Оценка эффективности сварочных процессов

1.3.1. Обобщенный баланс энергии

Обобщенный баланс необходим для количественной оценки пе­ редачи и преобразования энергии при разных видах сварочных процессов. Баланс включает следующие основные ступени пе­ редачи энергии (рис. 1.4): сеть питания; источник энергии для сварки или трансформатор энергии ТЭ; носитель энергии — ин­ струмент, передающий энергию от трансформатора к зоне сварки (резки или напыления); изделие — стык соединяемых изделий.

В балансе удобно использовать удельную энергию е, Дж/м2, определяемую в расчете на единицу площади стыка.

Энергия, получаемая сварочной установкой от сети питания

лиз затрат энергии на собственно сварочные и вспомогательные операции показан на рис. 1.5.

На выходе ТЭ энергия передается источником инструменту, вводящему ее затем в зону сварки. С учетом потерь П1 в ТЭ энергия есв составит

вс# — еВЫХ — 8вх rij.

ский rjt к. ц. д. процесса, которые в обозначениях данной схем^ выражаются

Кроме того, целесообразно использовать термодинамический k. п. д. процесса

Лтд = 0ст/есв =» ЛиЛл

который показывает отношение минимальной удельной энергии еСт, Необходимой я зоне сварки для выполнения данного соеди­ нения, к требуемой энергии источника на выходе трансформа­ тора ТЭ. Удельная энергия е Ст Дж/м2 соответствует в данном случае изменению энергосодержания зоны стыка, отнесенному к площади получаемого за счет этой энергии соединения.

l. 3.2. Схема балансов энергии

Обобщенный баланс справедлив для всех источников энергии — как внешних, так и внутренних. Большинство Т- и ТП-процессов осуществляется с внешними источниками.

Внутренний источник энергии рассматриваем как некоторый активный объем в общем случае с одинаковой глубиной в обе стороны от стыка. Считаем, что в активном объеме происходит преобразование вводной энергии из одной формы в другую (как правило, тепловую). В этом случае энергия ест, Дж/мм2, требуемая для сварки (или резки) единицы контактной пло­ щади, может быть приближенно определена как произведение среднего единичного активного объема V, мм3/мм2, на его сред­ нее энергосодержание АН, Дж/мм3. Принимая микротермическую гипотезу образования сварного соединения как результат местного повышения температуры в активном объеме, опреде­ ляем АН как произведение удельного теплосодержания су, Дж/(мм3-К) на среднюю температуру АТ активного объема. Тогда Ecr=VAH=VcyAT.

Например, для холодной сварки алюминия имеем глубину

порядок величин ест получим при оценке требуемой энергии для сварки взрывом: для алюминия 10 Дж/мм2, для молибдена ~50 Дж/мм2. Некоторое увеличение ест получаем для сварки ультразвуком и особенно трением, где глубина и активный объем могут быть значительными.

Сравнивая ест с энергией eCD, затрачиваемой на выполнение

= 60 Дж/мм2 для алюминия и еСв=600 Дж/мм2 для молибдена.

соответственно равно 0,5—0,15.

Приведенные оценки величин энергии еСт, есв и т)Тд весьма приближенные. Практически полезность подобных расчетов связана с тем, что получаемые значения к. п. д. г)Тд весьма хо­ рошо отражают сравнительную энергоемкость разных процес­ сов и ориентируют на использование менее энергоемких мето­ дов.

1.3.3. Оценкй эффективности источников энергии

Для правильного выбора того или иного сварочного процесса применительно к конкретному изделию следует учитывать по крайней мере три основных фактора: техническую возможность применения процесса; качество и надежность получаемого со­ единения; энергетическую и экономическую эффективность сва­ рочного процесса.

Первый фактор должен быть выполнен безусловно. Вторые два фактора следует учитывать так, чтобы найти оптимальное решение в каждом конкретном случае. Для правильного и обо­ снованного учета факторов качества и надежности соединений одновременно со степенью эффективности применяемого про­ цесса сварки нужна единая методика их количественной оценки. Эффективность процессов сварки плавлением оценивают обычно такими показателями, как эффективный и термический к. п. д., коэффициенты расплавления и наплавки и т. п. Источ­ ники сварочного нагрева характеризуют обычно удельным теп­ ловым потоком в пятне нагрева qmaXy Вт/см2, и коэффициентом

в пятне нагрева имеют лучевые источники, для которых qmax примерно 1 • 1010 Вт/см2. Однако их применение для сварки ограничено верхним пределом 1 • 107 Вт/см2 для электронного и фотонного луча. При более высоких плотностях энергии в пятне