Обновлено: 11.05.2024

Общие требования к сварочным источникам теплоты, предназначенным для сварки плавлением. Температура, кон­центрация и распределение теплоты источника.

Химические источники энергии – использование экзотер­мических реакций. Сжигание газов, жидкостей или твердых горючих веществ в смеси с кислородом воздуха; сжигание основного металла в кислороде; термитные реакции; обмен­ные реакции различных химических соединений. Строение, мощность и тепловой баланс источника нагрева.

Источники, основанные на превращениях в теплоту энер­гии электрического тока. Электрический дуговой разряд. Физические основы разряда. Условия возникновения плазмы, применяемой для сварки и резки. Мощность и тепловой ба­ланс электрической дуги и плазмы. Влияние материалов электродов, состава покрытий и флюсов на стабильность ду­гового разряда. Нагрев металла электрическим током. Оми­ческое сопротивление зоны сварки при контактном нагреве. Особенности выделения теплоты при электрошлаковой свар­ке. Особенности нагрева металла токами высокой частоты.

Механические источники энергии. Прессово-механический контакт и холодная сварка. Энергия, выделяющаяся при внешнем трении свариваемых металлов – сварка трением. Энергия, выделяющаяся при знакопеременных колебаниях свариваемых металлов, внешнего и внутреннего трения с ультразвуковой частотой, – сварка ультразвуком. Ударный контакт и сварка взрывом.

Лучевые источники энергии. Поток электронов как источ­ник нагрева свариваемых металлов. Плотность энергии при электронно-лучевой сварке. Поток фотонов как источник на­грева свариваемых металлов. Лазерная сварка.

Комбинированное воздействие нагрева, сварочного дав­ления в условиях вакуума при значительных временных ин­тервалах – диффузионная сварка. Специфика энергетики процесса.

Сравнительные характеристики различных источников энергии.

3. Тепловые процессы при сварке

Основные теплофизические свойства металлов, понятия и определения. Влияние их на процесс распространения теп­лоты при сварке. Способы передачи теплоты в твердом теле и с его поверхности. Теплопроводность, конвективный и лу­чистый теплообмен. Уравнение теплопроводности. Частные случаи уравнения теплопроводности. Краевые условия. Упро­щенные расчетные схемы нагреваемых тел и источников теплоты. Расчет распространения теплоты от неподвижных мгновенных источников. Непрерывно действующие источ­ники.

Движущиеся источники теплоты. Расчет процесса распро­странения теплоты при наплавке валика на массивное тело, при однопроходной сварке пластин в стык. Влияние режима сварки и теплофизических свойств свариваемого металла на температурное поле. Особенности нагрева свариваемых ме­таллов мощными быстродвижущимися источниками теплоты.

Нагрев и плавление электродной проволоки при дуговой сварке. Методы расчета нагрева электрода током и дугой. Расплавление электрода. Мгновенная производительность процесса расплавления, коэффициент расплавления.

Нагрев и проплавление основного металла сварочной ду­гой. Основные параметры сварочной ванны. Тепловая эффективность процесса проплавления. Термический КПД проплавления. Производительность процессов наплавки и про­плавления.

Термический цикл и максимальные температуры в зоне сварки. Структурные изменения в зоне термического влияния углеродистых и низколегированных сталей. Мгновенная ско­рость охлаждения при данной температуре. Расчет длитель­ности нагрева выше заданной температуры.

4. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ (44 часа)

Условия плавления металла и существования его в жид­ком состоянии. Перенос электродного металла в сварочную ванну. Газовая фаза в зоне сварки. Диссоциация газов. На­сыщение расплавленного металла газами. Влияние кисло­рода, азота и водорода на свойства стали.

Шлаковая фаза. Назначение шлаков. Свойства шлаков. Характеристика важнейших простых оксидов, входящих в со­став шлаковой фазы. Взаимодействие между расплавленным металлом, газовой средой и шлаком при сварке плавлением. Виды и классификация флюсов и электродных покрытий.

Окисление металлов при сварке. Раскислительные про­цессы. Раскисление с получением конденсированных про­дуктов реакции. Наиболее важные раскислители, применяе­мые в сварке. Раскисление с получением газообразных про­дуктов реакции. Диффузионное раскисление. Раскисление металла воздействием шлаков.

Легирование наплавляемого металла. Требования к раскислителям и легирующим элементам. Прямое растворение и обменные реакции при легировании. Коэффициенты усвое­ния и перехода легирующего элемента. Рафинирование ме­талла. Источники поступления серы и фосфора в зону свар­ки. Десульфурация и обесфосфоривание металла шва.

5. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛА ПРИ СВАРКЕ И СТРУКТУРА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ (18 часов)

Сварочная ванна, ее основные характеристики. Процессы кристаллизации металла при сварке. Первичная кристалли­зация металла и ее особенности. Посторонние включения в металле шва. Механизм образования пор. Меры, обеспе­чивающие снижение пористости в зоне сварки. Шлаковые включения в металле шва. Ликвиция примесей при кристаллизации металла сварочной ванны. Методы регулирова­ния первичной кристаллизации металла сварных швов. Хи­мическая неоднородность сварного соединения. Диффузион­ные процессы.

Процессы вторичной кристаллизации в металле шва и в основном металле. Значение скорости охлаждения. Осо­бенности структуры сварного шва и основного металла в зоне термического влияния низкоуглеродистых сталей.

Сварка. Основные виды сварки. Сварка различных металлов с сплавов.

Сварка - это технологический процесс получения неразъёмного соединения материалов за счёт образования атомной связи. Процесс создания сварного соединения протекает в две стадии.

На первой стадии необходимо сблизить поверхности свариваемых материалов на расстояние действия сил межатомного взаимодействия (около 3 А). Обычные металлы при комнатной температуре не соединяются при сжатии даже значительными усилиями. Соединению материалов мешает их твердость, при их сближении действительный контакт происходит лишь в немногих точках, как бы тщательно они не были обработаны. На процесс соединения сильно влияют загрязнения поверхности - окислы, жировые пленки и пр., а также слои абсорбированных примесных атомов. Ввиду указанных причин выполнить условие хорошего контакта в обычных условиях невозможно. Поэтому образование физического контакта между соединяемыми кромками по всей поверхности достигается либо за счёт расплавления материала, либо в результате пластических деформаций, возникающих в результате прикладываемого давления. На второй стадии осуществляется электронное взаимодействие между атомами соединяемых поверхностей. В результате поверхность раздела между деталями исчезает и образуется либо атомная металлическая связи (свариваются металлы), либо ковалентная или ионная связи (при сварке диэлектриков или полупроводников). Исходя из физической сущности процесса образования сварного соединения различают три класса сварки: сварка плавлением, сварка давлением и термомеханическая сварка (рис. 1.25).

Рис. 1.25. Классификация видов сварки

К сварке плавлением относятся виды сварки, осуществляемой плавлением без приложенного давления. Основными источниками теплоты при сварке плавлением являются сварочная дуга, газовое пламя, лучевые источники энергии и «джоулево тепло». В этом случае расплавы соединяемых металлов объединяются в общую сварочную ванну, а при охлаждении происходит кристаллизация расплава в литой сварочный шов.

При термомеханической сварке используется тепловая энергия и давление. Объединение соединяемых частей в монолитное целое осуществляется за счет приложения механических нагрузок, а подогрев заготовок обеспечивает нужную пластичность материала.

К сварке давлением относятся операции, осуществляемые при приложении механической энергии в виде давления. В результате металл деформируется и начинает течь, подобно жидкости. Металл перемещается вдоль поверхности раздела, унося с собой загрязненный слой. Таким образом, в непосредственное соприкосновение вступают свежие слои материала, которые и вступают в химическое взаимодействие.

2. Основные виды сварки

Ручная электродуговая сварка. Электрическая дуговая сварка в настоящее время является важнейшим видом сварки металлов. Источником тепла в данном случае служит электрическая дуга между двумя электродами, одним из которых является свариваемые заготовки. Электрическая дуга является мощным разрядом в газовой среде.

Процесс зажигания дуги состоит из трех стадий: короткое замыкание электрода на заготовку, отвод электрода на 3-5 мм и возникновение устойчивого дугового разряда. Короткое замыкание производится с целью разогрева электрода (катода) до температуры интенсивной экзо- эмиссии электронов.

На второй стадии эмитированные электродом электроны ускоряются в электрическом поле и вызывают ионизацию газового промежутка «катод-анод», что приводит к возникновению устойчивого дугового разряда. Электрическая дуга является концентрированным источником тепла с температурой до 6000 оС. Сварочные токи достигают 2-3 кА при напряжении дуги (10-50) В. Наиболее часто применяется дуговая сварка покрытым электродом. Это ручная дуговая сварка электродом, покрытым соответствующим составом, имеющим следующее назначение:

1. Газовая и шлаковая защита расплава от окружающей атмосферы.

2. Легирование материала шва необходимыми элементами.

В состав покрытий входят вещества: шлакообразующие - для защиты расплава оболочкой (окислы, полевые шпаты, мрамор, мел); образующие газы СО2, СН4, ССl4; легирующие - для улучшения свойств шва (феррованадий, феррохром, ферротитан, алюминий и др.); раскислители - для устранения окислов железа (Ti, Mn, Al, Si и др.) Пример реакции раскисления : Fe2O3+Al = Al2O3+Fe.

Рис. 1.26. Ручная сварка покрытым электродом: 1 - свариваемые детали, 2 - сварной шов, 3 - флюсовая корочка, 4 - газовая защита, 5 - электрод, 6 - покрытие электрода, 7 - сварная ванна

Рис. 1.26 иллюстрирует сварку покрытым электродом. По указанной выше схеме между деталями (1) и электродом (6) зажигается сварочная дуга. Обмазка (5) при расплавлении защищает сварочный шов от окисления, улучшает его свойства путем легирования. Под действием температуры дуги электрод и материал заготовки плавятся, образуя сварную ванну (7), которая в дальнейшем кристаллизуется в сварной шов (2), сверху последний покрывается флюсовой корочкой (3), предназначенной для защиты шва. Для получения качественного шва сварщик располагает электрод под углом (15-20)0 и перемещает его по мере расплавления вниз для сохранения постоянной длины дуги (3-5) мм и вдоль оси шва для заполнения разделки шва металлом. При этом обычно концом электрода совершают поперечные колебательные движения для получения валиков требуемой ширины.

Автоматическая сварка под флюсом.

Таким образом, автоматическая сварка под слоем флюса отличается от ручной сварки по следующим показателям: стабильное качество шва, производительность в (4-8) раз больше, чем при ручной сварке, толщина слоя флюса - (50-60) мм, сила тока - (1000-1200) А, оптимальная длина дуги поддерживается автоматически, шов состоит на 2/3 из основного металла и на 1/3 дуга горит в газовом пузыре, что обеспечивает отличное качество сварки.

Электрошлаковая сварка.

Электрошлаковая сварка является принципиально новым видом процесса соединения металлов, изобретенном и разработанным в ИЭС им. Патона. Свариваемые детали покрываются шлаком, нагреваемом до температуры, превышающей температуру плавления основного металла и электродной проволоки.

На первой стадии процесс идет так же, как и при дуговой сварке под флюсом. После образования ванны из жидкого шлака горение дуги прекращается и оплавление кромок изделия происходит за счет тепла, выделяющегося при прохождении тока через расплав. Электрошлаковая сварка позволяет сваривать большие толщи металла за один проход, обеспечивает большую производительность, высокое качество шва.

Рис. 1.27. Схема шлаковой сварки:

1 - свариваемые детали, 2 - сварной шов, 3 - расплавленный шлак, 4 - ползуны, 5 - электрод

Схема электрошлаковой сварки показана на рис. 1.27. Сварку ведут при вертикальном расположении деталей (1), кромки которых так же вертикальны или имеют наклон не более 30 o к вертикали. Между свариваемыми деталями устанавливают небольшой зазор, куда насыпают порошок шлака. В начальный момент зажигается дуга между электродом (5) и металлической планкой, устанавливаемой снизу. Дуга расплавляет флюс, который заполняет пространство между кромками свариваемых деталей и медными формующими ползунами (4), охлаждаемыми водой. Таким образом, из расплавленного флюса возникает шлаковая ванна (3), после чего дуга шунтируется расплавленным шлаком и гаснет. В этот момент электродуговая плавка переходит в электрошлаковый процесс. При прохождении тока через расплавленный шлак выделяется джоулево тепло. Шлаковая ванна нагревается до температур (1600-1700) 0С, превышающих температуру плавления основного и электродного металлов. Шлак расплавляет кромки свариваемых деталей и погруженный в шлаковую ванну электрод. Расплавленный металл стекает на дно шлаковой ванны, где и образует сварочную ванну. Шлаковая ванна надежно защищает сварочную ванну от окружающей атмосферы. После удаления источника тепла, металл сварочной ванны кристаллизуется. Сформированный шов покрыт шлаковой коркой, толщина которой достигает 2 мм.

Повышению качества шва при электрошлаковой сварке способствует ряд процессов. В заключение отметим основные преимущества электрошлаковой сварки.

- Газовые пузыри, шлак и легкие примеси удаляются из зоны сварки по причине вертикального расположения сварного устройства.

- Большая плотность сварного шва.

- Сварной шов менее подвержен трещинообразованию.

- Производительность электрошлаковой сварки при больших толщинах материалов почти в 20 раз превышает аналогичный показатель автоматической сварки под флюсом.

- Можно получать швы сложной конфигурации.

- Этот вид сварки наиболее эффективен при соединении крупногабаритных деталей типа корпусов кораблей, мостов, прокатных станов и пр.

Электронно-лучевая сварка.

Источником тепла является мощный пучок электронов с энергией в десятки килоэлектронвольт. Быстрые электроны, внедряясь в заготовку, передают свою энергию электронам и атомам вещества, вызывая интенсивный разогрев свариваемого материала до температуры плавления. Процесс сварки осуществляется в вакууме, что обеспечивает высокое качество шва. Ввиду того что электронный луч можно сфокусировать до очень малых размеров (менее микрона в диаметре), данная технология является монопольной при сварке микродеталей.

Плазменная сварка.

При плазменной сварке источником энергии для нагрева материала служит плазма - ионизованный газ. Наличие электрически заряженных частиц делает плазму чувствительной к воздействию электрических полей. В электрическом поле электроны и ионы ускоряются, то есть увеличивают свою энергию, а это эквивалентно нагреванию плазмы вплоть до 20-30 тыс. градусов. Для сварки используются дуговые и высокочастотные плазмотроны (см. рис. 1.17 - 1.19). Для сварки металлов, как правило используют плазмотроны прямого действия, а для сварки диэлектриков и полупроводников применяются плазмотроны косвенного действия. Высокочастотные плазмотроны (рис. 1.19) так же применяются для сварки. В камере плазмотрона газ разогревается вихревыми токами, создаваемыми высокочастотными токами индуктора. Здесь нет электродов, поэтому плазма отличается высокой чистотой. Факел такой плазмы может эффективно использоваться в сварочном производстве.

Диффузионная сварка.

Способ основан на взаимной диффузии атомов в поверхностных слоях контактирующих материалов при высоком вакууме. Высокая диффузионная способность атомов обеспечивается нагревом материала до температуры, близкой к температуре плавления. Отсутствие воздуха в камере предотвращает образование оксидной пленки, которая смогла бы препятствовать диффузии. Надежный контакт между свариваемыми поверхностями обеспечивается механической обработкой до высокого класса чистоты. Сжимающее усилие, необходимое для увеличения площади действительного контакта, составляет (10-20) МПа.

Технология диффузионной сварки состоит в следующем. Свариваемые заготовки помещают в вакуумную камеру и сдавливают небольшим усилием. Затем заготовки нагревают током и выдерживают некоторое время при заданной температуре. Диффузионную сварку применяют для соединения плохо совместимых материалов: сталь с чугуном, титаном, вольфрамом, керамикой и др.

Контактная электрическая сварка.

При электрической контактной сварке, или сварке сопротивлением, нагрев осуществляется пропусканием электрического тока достаточной иглы через место сварки. Детали, нагретые электрическим током до плавления или пластического состояния, механически сдавливают или осаживают, что обеспечивает химическое взаимодействие атомов металла. Таким образом, контактная сварка относится к группе сварки давлением. Контактная сварка является одним из высокопроизводительных способов сварки, она легко поддается автоматизации и механизации, вследствие чего широко применяется в машиностроении и строительстве. По форме выполняемых соединений различают три вида контактной сварки: стыковую, роликовую (шовную) и точечную.

Стыковая контактная сварка.

Это вид контактной сварки, при которой соединение свариваемых частей происходит по поверхности стыкуемых торцов. Детали зажимают в электродах-губках, затем прижимают друг к другу соединяемыми поверхностями и пропускают сварочный ток. Стыковой сваркой соединяют проволоку, стержни, трубы, полосы, рельсы, цепи и др. детали по всей площади их торцов. Существует два способа стыковой сварки:

- Оплавлением: детали соприкасаются в начале по отдельным небольшим контактным точкам, через которые проходит ток высокой плотности, вызывающий оплавление деталей. В результате оплавления на торце образуется слой жидкого металла, который при осадке вместе с загрязнениями и окисными плёнками выдавливается из стыка.

Классификация процессов сварки

Согласно схеме термодинамических превращений (рис. 1), целесообразно выделить при
классификации процессов сварки три основных физических признака:

• форму вводимой энергии,
• наличие давления и вид
  инструмента — носителя энергии.

Остальные признаки условно отнесены к техническим и технологическим (табл. 1.). Такая
классификация использована в ГОСТ 19521—74. По виду вводимой в изделие энергии
все основные сварочные процессы, включая сварку, пайку и резку, разделены
(табл. 2) на термические (Т), термомеханические (ТМ), термопрессовые (ТП),
механические (М), прессово-механические (ПМ), Признак классификации по наличию
давления применим только к сварке и пайке.

Рис. 1 — Схема модель, поясняющая термодинамическое
определение и классификацию процессов сварки: Г. ТМ. ЛМ — термические.
термомеханические и прессово-механические процессе

ТАБЛИЦА 1. ПРИЗНАКИ И СТУПЕНИ КЛАССИФИКАЦИИ
ПРОЦЕССОВ СВАРКИ

Наименование признака

Содержание признака

Ступени классификации и порядок расположения
процессов

Наличие
давления при сварке

Форма
энергии, вводимой при сварке

Вид
нагрева или механического воздействия(вид инструмента)

Технические

Устанавливаются
для каждого метода отдельно

Технологические

Технико-экономические

Удельная
энергия ε, Дж/мм 2 . Необходимая для соединения, или удельные
затраты на сварку, руб./мм 2

Устанавливается
порядок в расположении методов сварки от механических к термическим по
увеличению ε, Дж./мм 2

ТАБЛИЦА 2. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ ПО
ФИЗИЧЕСКИМ ПРИЗНАКАМ

Сварка без давления плавлением

Сварка с давлением

Термические Т -процессы

Термомеханические ТМ-процессы

Механические М-процессы

Индукционная
с давлением

Печная с
давлением

Вакуумным
схватыванием ПМ-прессово-механическая

Термитная
с давлением

ТАБЛИЦА 3. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ДУГОВОЙ СВАРКИ ПО
ТЕХНИЧЕСКИМ ПРИЗНАКАМ

Группы (по форме дуги)

Дугой
прямого действия

Дугой
косвенного действия

Подгруппы (по свойствам электрода)

Не
плавящимся электродом

Виды (по защите дуги)

В инертных
газах

В активных газах

Скомбинированной
защитой. Покрытым электродом

Разновидности(конкретные примеры видов)

В аргоне.
В углекислом газе. Голой легированной проволокой. Порошковой проволокой

В аргоне
вольфрамовым электродом. В камере с контролируемой атмосферой. В СО₂
угольным электродом

Плазменной
струей. Атомноводородная. Угольными электродами

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

Т-процессы осуществляются без давления (сварка плавлением), остальные — обычно только с давлением (сварка давлением). Указанные в (табл. 1) термины (класс, метод, вид)
условные, но, войдя в классификацию, они позволяют в дальнейшем вести четкую
систему типизации процессов сварки. Термин «процесс» использован как
независимый от классификационных 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
включены только нейтронная сварка пластмасс и (условно) склеивание, которое
происходит без существенного введения энергии извне. В (табл. 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. 3) для примера даны виды дуговой сварки.

Под сварочными процессами в настоящее время понимают достаточно широкую группу технологических процессов соединения, разъединения (резки) и локальной
обработки материалов, 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
внутреннего источника в результате преобразования в теплоту химической 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 преобладают внутренние носители
энергии, в которых ее преобразование в теплоту происходит главным образом
вблизи контакта соединяемых изделий — стыка.

Оценка эффективности сварочных процессов

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 соединения;
• энергетическую и экономическую эффективность сварочного процесса.

Первый фактор должен быть выполнен безусловно. Вторые два фактора следует учитывать так, чтобы найти оптимальное решение в каждом конкретном случае. Для правильного и обоснованного учета факторов качества и надежности соединений одновременно со степенью эффективности применяемого процесса 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. Источники сварочного нагрева характеризуют обычно удельным тепловым потоком в пятне нагрева q_max Вт/см 2 , и коэффициентом сосредоточенности k. Оценивают также удельные затраты на 1 м длины шва или на 1 кг наплавленного металла.

Сравнение термических источников энергии для сварки (рис. 1) показывает, что наибольшую удельную мощность в пятне нагрева имеют лучевые источники, для которых q_max Вт/см 2 примерно 1×10 10 Вт/см 2 . Однако их применение для сварки ограничено верхним пределом 1×10 7 Вт/см 2 для электронного и фотонного луча. При более высоких плотностях энергии в пятне нагрева сварка невозможна — происходит испарение материала; возможна резка и размерная обработка (лучевое фрезерование) изделий.

Рис. 1 — Удельная мощность различных источников энергии сварочных процессов в пятне нагрева. Левая штриховка соответствует сварке, правая — резке (Р). Обозначение. ГП — газовое пламя; СвД — свободная дуга; СжД — сжатая дуга; ЭЛ — электронный луч; ФЛ — фотонный луч

Однако приведенные показатели не позволяют сравнивать между собой процессы разных классов — термические, термомеханические и механические. В то же время часто имеется возможность выполнить одно и то же соединение разными методами сварки, а также пайкой или склеиванием. Основная задача любого из этих трех процессов — получение определенной площади качественно соединяемых материалов. Поэтому целесообразно применять удельные показатели эффективности, отнесенные к единице площади соединения.

Рис. 3 — Порядок величин удельной энергии ε_и и ε_общ. Дж/мм 2 , необходимой для однопроходной сварки стали различными методами εВСМ для ЭЛС подсчитано с учетом вакуумирования камеры и сварки соединения сечением около 1000 мм 2 .
Обозначения см. подпись под рис. 1, ЛЛ — лазерный луч

Пламенная дуга при достаточных мощностях разрезает коррозионностойкую сталь при удельной энергии резки ε_р=100 Дж/мм 2 . Однако при толщинах свыше 100—120 мм мощности источника не хватает для интенсивного ведения процесса, и еР возрастает до 300—350 Дж/мм 2 .

Сравнение эффективности Т, ТП и ПМ-процессов сварки.

Сравнение эффективности Т, ТП и ПМ-процессов сварки показывает, что для многих видов соединений и материалов механические и термомеханические процессы сварки требуют значительно меньше энергии, чем сварка плавлением. Например, для сварки встык стальных стержней диаметром 20 мм при дуговом ванном способе необходимо ε_св=1800 Дж/мм 2 , при контактной стыковой сварке оплавлением ∼400 Дж/мм 2 , при сварке трением ∼130 Дж/мм 2 . Для сварки встык пластин из алюминиевого сплава толщиной 5 мм требуется; при аргонодуговой сварке ε_св=300 Дж/мм2, при контактной сварке ∼200 Дж/мм 2 при холодной сварке ∼30 Дж/мм 2 .

Анализ эффективности по различным классам сварочных процессов позволяет построить условную диаграмму удельной энергии, необходимой для сварки соединений определенного типа с применением разных процессов или источников энергии. На диаграмме (рис. 4) по вертикальной оси в логарифмическом масштабе отложены приблизительные значения ε_н, а по горизонтальной оси указаны возможные процессы применительно к сварке встык стальных листов толщиной до 20 мм или стержней диаметром до 20 мм.

Рис. 4 — Удельная энергия ε_н требуемая для выполнения однотипных стыковых соединений с применением разных процессов

Удельная энергия εн требуемая для выполнения однотипных стыковых соединений с применением разных процессов

Целесообразно в ряде случаев применять показатель удельной энергии ε=q/νδ (Дж/м 2 ) как более информативный, чем показатель погонной энергии q/ν, измеряемый в Дж/м. Использование при анализе разных методов сварки показателей удельной энергии ε, Дж/м 2 , стимулирует выбор перспективных в отношении энергоемкости процессов и источников энергии.

1.3. Источники энергии, используемые для сварки

Такая энергия активации может быть сообщена в виде теплоты (термическая активация), упругопластической деформации (механическая активация), электронного облучения и других видов воздействия.

Все известные в настоящее время процессы сварки металлов осуществляются за счет введения только двух видов энергии - термической (Т) и механической (М) или их сочетания- термомеханической (ТМ). Теплоносители и источники названных видов энергии могут быть разнообразными. Так, термическая энергия может вводиться в свариваемое изделие электрической дугой, газовым пламенем, электронным, световым, лазерным и плазменным лучами, проходящим током и др.

Источниками механической энергии могут быть трущийся контакт, вибрирующий контакт, прессовомеханический контакт, ударный контакт и др. Указанные источники реализуются при использовании ультразвуковых колебаний, трения скольжения, давления, взрыва и др.

Отличительной чертой современных сварочных процессов является то, что в подавляющем большинстве они "термические" и обычно осуществляются при введении в зону сварки термической или термомеханической энергии. Если же вводится только механическая энергия, то вое равно в значительной мере она преобразуется в тепловую форму.

Вводимая энергия в свариваемый материал расходуется (преобразуется) на нагрев, деформацию соединяемых материалов, а также на развитие диффузионных процессов.

На рис.1.10 дается упрощенная структурная схема видов энергии используемых на сварку. Как видно из схемы для осуществления сварки могут быть использованы различные источники энергии, число которых вместе с их модификациями составляет несколько десятков.

Рис. 1.10. Виды энергии, используемые на сварку.

Несмотря на существенные различия физической природы источников и носителей энергии, используемых при сварке, в них можно найти общие закономерности и характеристики, позволяющие сравнивать их по единым признакам.

Важнейшими характеристиками источников сварочного нагрева являются: общая мощность, уровень концентрации мощности на единицу площади (пятна) нагрева и эффективный коэффициент полезного действия нагрева (КПД), представляющий собой отношение мощности, вводимой в свариваемое изделие, к общей мощности, отбираемой от источника энергии. Предельные характеристики некоторых источников нагрева приведены в табл. 1.1. Следует заметить, что все источники нагрева, приведенные в табл. 1.1 могут использоваться не только с целью соединения (сварки) частей в неразъемный монолит, но и наоборот, с целью разъединения (резки) целого изделия (заготовки) на части.

Из термических источников наибольшее распространение пока имеет электрическая дуга, ввиду простоты ее получения, поддержания и регулирования. Однако сравнительно невысокая предельная концентрация мощности в пятне нагрева снижает эффективность ее применения при сварке толстостенных конструкций.

Применение высококонцентрированных электронных пучков находит в настоящее время все большие области применения: для сварки химически активных и жаростойких, высокопрочных сплавов, для сварки в условиях космического пространства и т.п.

Плазменная струя и газовое пламя широко используются для -разделительной резки, напыления на поверхность изделия слоя со специальными свойствами и в других областях.

Перспективным источником сварочного нагрева является лазерный луч - обладающий наивысшей, из всех известных в настоящее время источников, концентрацией мощности. Лазерный луч применяется пока для сварки изделий сравнительно небольших толщин (до 15 мм). Серьезным недостатком этого источника является низкий КПД (до 15 %). Создание мощных и высокоэффективных лазерных источников нагрева позволит им в будущем занять более достойное место в сварочном производстве.

2. Источники энергии, применяемые при сварке

При изучении раздела надо обратить внимание на основ­ные источники энергии и требования, которым они должны удовлетворять при сварке.

Например, одним из распространенных источников энер­гии является газовое пламя. Надо изучить, какие при этом происходят процессы горения, как определяется термический КПД нагрева горючими газами, каковы сравнительные ха­рактеристики различных углеводородов применительно к их использованию для газоплазменного нагрева, каковы осо­бенности строения пламени.

При изучении сварочной дуги надо обратить внимание на условия, определяющие возможность устойчивого дугового разряда, основные закономерности ионизации газов и газо­вых смесей, эмиссии электронов, как распределяется падение напряжения в дуговом промежутке, типовые вольт-амперные статические характеристики. Надо хорошо знать зависи­мость температуры дуги от состава среды дугового проме­жутка, степени сжатия дуги, уметь определять полную и эф­фективную мощности в зависимости от параметров режима сварки.

Нагрев свариваемых металлов током получил широкое применение. Надо изучить особенности выделения энергии в зоне сварки при омическом сопротивлении, условий его из­менения от сварочных давлений и окисных пленок. Надо обратить внимание на условия протекания тока в среде расплавленного шлака.

Большое значение имеют источники для сварки, основан­ные на использовании механической энергии трения, ультразвука, удара, взрыва. Надо изучить особенности механизма энерговыделения, основные энергетические параметры ре­жимов сварки.

Нужно обратить внимание на лучевые источники энер­гии – поток электронов и фотонов, на использовании кото­рых основаны электронно-лучевой и лазерный способы сварки.

Вопросы для самопроверки

1. Какие основные источники энергии применяются для сварки?

2. Каким требованиям должны удовлетворять источники энергии, применяющиеся для сварки?

3. Что такое тепловая мощность, эффективная мощность источника теплоты?

4. Как происходит горение углеводородов, например, ацетилена? Каковы особенности строения и температуры пламени?

5. Какие условия определяют возможность устойчивого горения электрической дуги?

6. Каковы виды и основные закономерности ионизации газов?

7. Что такое эмиссия электронов и каковы условия ее возникно­вения?

8. Каковы особенности вольт-амперной статической характеристики дуги?

9. В чем различие тепловых характеристик сварочной дуги и плаз­менной струн?

10. Каков механизм энерговыделения при протекании тока через оми­ческое сопротивление зоны сварки?

11. Что представляет собой электрошлаковый источник тепла?

12. Каков механизм энерговыделения при сварке трением?

13. В чем заключаются особенности выделения энергии при ударе?

14. Что такое поток электронов? Что такое поток фотонов?

15. Каков механизм диффузионной сварки?

16. В чем заключаются особенности энерговыделения ультразвука?

[2], с. 138 … 249 или [1], с. 120…182, 310…359

Изучение раздела надо начинать с твердого усвоения ос­новных теплофизических величин, понятий и определений. Обратить внимание на способы передачи теплоты в твердом геле. Хорошо усвоить структуру основного уравнения тепло­проводности. Принять во внимание, что в целом ряде случаев его можно существенно упростить. Надо изучить расчетные схемы, достаточно хорошо отражающие действительную кар­тину распространения теплоты. Нужно хорошо усвоить осо­бенности распространения теплоты при мгновенном, точеч­ном, линейном и плоском неподвижном источниках теплоты; тщательно освоить расчет процесса распространения теплоты при наплавке валика на массивное тело и при однопроходной сварке пластин встык. При изучении следует использовать при­меры, приведенные в [2].

Весьма важно разобраться в специфике гипотезы распро­странения теплоты при нагреве быстродвижущимися источ­никами. Практически разобраться в расчете тепло­вого поля при наплавке валика на массивное тело и при автоматической сварке пластин за один проход; особенностях сформирования термического цикла зоны сварки и максимальных температур.

Нужно также усвоить расчеты, связанные с расплавлением электродов и основного, определением термического КПД процесса проплавления, производительностью процессов на­плавки и проплавления. Весьма важно научиться производить расчет длительности нагрева выше данной тем­пературы, определять мгновенную скорость охлаждения при данной температуре.

Читайте также:

  
• Высота перегородки при сварочных работах
  
• Сварочный аппарат сварог 200
  
• Не варит сварочный инвертор ресанта
  
• Оборудование для ацетиленовой сварки
  
• Курсы по сварке полуавтоматом