ТСП 11

1.5.2. Расчет энергоемкости процессов сварки

Расчеты показали, что для многих видов соединений и материалов механические и термомеханические процессы требуют значительно меньше энергии, чем термические процессы при сварке плавлением. Например, при сварке встык стальных стержней диаметром 20 мм дуговым ванным способом необходимая удельная энергия ε_св ≈ 1800 Дж/мм² ; при контактной стыковой сварке оплавлением ε_св ≈ 400 Дж/мм² ; при сварке трением ε_св ≈ 130 Дж/мм² . Для сварки встык пластин из алюминиевого сплава толщиной 5 мм требуются следующие значения удельной энергии ε_св: при аргонодуговой сварке ≈ 300 Дж/ мм² ; при контактной сварке ≈ 200 Дж/мм² ; при холодной сварке ≈ 30 Дж/мм² .

Расчет удельной энергии ε_св для разных методов сварки плавлением коррозионно-стойкой стали типа 18-10 (рис. 1.9) показал, что с увеличением толщины изделия удельная сварочная энергия резко растет при использовании многослойной 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 встык листы толщиной от 10 до 50 мм практически при одной и той же удельной энергии 30...60 Дж/мм² . Использование плазменной дуги (ПД) и дугового разряда в вакууме (ВД) при узкой разделке позволяет потреблять при сварке меньше удельной энергии (ε_св = 150...300 Дж/мм² ), чем для дуги под флюсом (ДФ), для которой в зависимости от разделки кромок требуется ε_св = 400.. .600 Дж/мм².

Сравнение значений ε_и и ε_общ для однопроходной сварки стали показывает, что ε_и с уменьшением интенсивности источника возрастает примерно от 3...5 Дж/мм² для лазерной сварки до 200...400 Дж/мм² для газового пламени. В то же время общие затраты энергии ε_общ, в которых учитываются, например, энергозатраты на вакуумирование для электронного луча (площадь сечения соединения ≈ 500 мм²) и при КПД лазера (≈ 1... 15 %), в десятки раз выше для этих источников, чем для дуги в аргоне или для газового пламени (рис. 1.10).

Пример 1.1. Определить удельную энергию ε_ст для различных способов сварки. Основные физические свойства металлов и сплавов приведены в табл. 1.7.

Решение. 1. Сварка плавлением. Рассмотрим сварку плавлением встык ванным способом двух алюминиевых стержней диаметром 20 мм. Согласно обобщенной схеме баланса энергии (см. рис. 1.6), существует внешниεй источник энергии, которая вносится в зону сварки с расплавляемым электродным металлом. Удельное объемное теплосодержание расплавленного металла при температуре его плавления составляет ∆Н = ρ(с_плТ_пл+ q_пл), где ρ- плотность; с_пл - удельная теплоемкость; Т_пл -температура плавления, °С; q_пл - скрытая теплота плавления металла. Минимальная удельная энергия, требуемая для сварки ванным способом, определяется как произведение ∆Н и объема зоны (сварочной ванны) расплавленного металла, деленное на площадь сечения шва, т. е. как произведение ∆Н и ширины В расплавленной зоны: ε_св= ∆НВ. Принимая ширину такого шва равной диаметру прутка, получаем

ε_ст ≈ 2,7 • (1 • 660 + 390) • 2 = 5670 Дж/см² = 56,7 Дж/мм².

2. Контактная стыковая сварка оплавлением. В данном случае существует внутренний источник энергии - тепловыделение на контактном сопротивлении. Различие в минимальной 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 энергия составит:

ε_ст = 28,35 Дж/мм .

3. Сварка трением. Ширина зоны нагрева от «внутреннего» источника энергии при сварке трением значительно ниже, чем при контактной сварке оплавлением. Кроме того, процесс формирования шва обычно протекает при температурах, близких к температуре плавления сплава, но не превышающих ее, т. е. без затрат на скрытую теплоту плавления. При общей ширине пластической зоны формирования соединения около 5 мм минимальная удельная энергия составит

ε_ст= 2,7 • 660 • 0,5 = 891 Дж/см² ≈ 9 Дж/мм².

4. Холодная сварка. Имеем «внутренний» источник энергии. Преоб- разование энергии сжатия деталей происходит в некотором активном объеме с одинаковой глубиной по обеим сторонам от шва. Энергия, тре- буемая для сварки, в данном случае также определяется как произведение среднего теплосодержания при температуре стыка около 600 °С (для алюминия) и глубины активной зоны, равной ≈ 1 мм:

ε_ст = 2,7•600•0,1 •2 = 324 Дж/см² = 3,24 Дж/мм².

5. Сварка взрывом. Экспериментально установлено, что для сварки алюминиевых пластин толщиной 1 мм требуется около 1 г взрывчатого вещества на 1 см² площади соединяемых деталей. Учитывая, что удель- ная энергия для взрывчатого вещества составляет ≈ 6000 Дж/г, получаем ориентировочную оценку:

ε_ст = 1 • 6000 Дж/см² = 60 Дж/мм².

Сопоставление энергозатрат при рассмотренных способах сварки показывает, что способы сварки давлением менее энергоемки по сравнению со сваркой плавлением. Немаловажно и то, что при сварке в твердой фазе не требуется расходовать энергию на расплавление металла, что экономит около 15...30 % энергии.

Контрольные вопросы

Какие существуют межатомные связи, какова их природа?

Каковы особенности ковалентной, ионной, металлической и молекулярной связей? Как эти особенности влияют на физические свойства кристаллов?

Какова сущность стадийности сварки?
В чем заключается основное отличие сварки плавлением от сварки давлением?
В чем состоит основное отличие сварки плавлением от пайки?
В чем заключается основное отличие пайки от склеивания?
Чем отличается физическое определение сварки от термодинамического?
Назовите основные признаки классификации сварочных процессов.
В каких случаях целесообразно использовать удельную энергию при оценке энергетической эффективности сварки?

Содержание