Признаки классификации сварочных процессов

 

При классификации сварочных процессов целесообразно выде­лить три основных физических признака: наличие давления, вид вводимой энергии и вид инструмента - носителя энергии. Осталь­ные признаки можно условно отнести к техническим или техно­логическим (табл. 1.2). Такая классификация использована в ГОСТ 19521-74. Признак классификации по наличию давления применим только к сварке и пайке. По виду вводимой в изделие энергии все сварочные процессы, включая сварку, пайку, резку и др., могут быть разделены на термические, термомеханические и механические. Термические процессы идут без давления (сварка плавлением), остальные - обычно с давлением (сварка давлением).

Термины «класс», «метод», «вид», «способ» условны, но будут использованы в классификации, они позволяют в дальнейшем вве­сти четкую систему типизации сварочных процессов. Термин «процесс» используют как независимый от классификационных групп.

Классификация методов сварки по физическим признакам при­ведена в табл. 1.3. Физические признаки - общие для всех методов сварки. Технические признаки могут быть определены только для отдельных методов сварки.

Анализ энергетического баланса показывает, что все известные в настоящее время методы сварки металлов осуществляются вве­дением энергии двух видов - термической и механической или их сочетания. Нейтронная сварка пластмасс и (условно) склеивание, которые практически происходят без введения энергии, могут быть включены в группу особых сварочных процессов. Сварка ва­куумным схватыванием (не в отдельных точках, а по всему стыку) возможна только при наличии сдавливания, поэтому она отнесена к механическим процессам, хотя в этом случае может происходить выделение энергии, а не ее ввод извне.

 

 

 

 

 

 

Сложившийся годами термин «сварка давлением» не совсем точен, так как давление в этих процессах - не единственное внешнее воздействие. Однако он общеупотребителен. Давление необходимо всегда, если при сварке отсутствует ванна расплав­ленного металла и сближение атомов (активация стыкуемых по­верхностей) достигается вследствие упругопластического дефор­мирования материала поверхностей. Следует отметить, что и при наличии давления может происходить расплавление металла, на­пример, при термитной сварке с давлением, контактной точечной и шовной сварке с образованием литого ядра, стыковой сварке оп­лавлением, сварке трением и др.

Весьма желательно, чтобы принцип классификации процессов сварки определялся какими-либо количественными технико-эко­номическими признаками. Такими признаками могут быть: значе­ния удельных энергий (сварочной ε_св или введенной в изделие ε_и); удельные организационно-экономические затраты на сварку.

Удельные показатели можно подсчитывать отдельно по каждой группе соединений, свариваемых материалов и т. д. Затраты следует относить к так называемой рабочей площади соединения S, которая в случае сварки встык соответствует продольному сечению шва без выпуклости. Для нахлесточных соединений площадь S соответству­ет сечению меньшего из соединяемых элементов (см. рис. 1.7). Для дуговой сварки в один проход материала толщиной δ при токе, на­пряжении и скорости сварки соответственно I, U, v удельная энер­гия равна

 

Расчеты удельных энергий ε_сви ε_и показывают, что удельная энергоемкость процесса сварки единицы площади стыка имеет тенденцию к уменьшению при переходе от термических к механи­ческим процессам (рис. 1.8). Удельная энергия ε_и = ε_свη_и характе­ризует также количество переплавленного или разогретого мате­риала на единицу площади сварного шва, а следовательно, и объем активной зоны сварного соединения, в которой произошли суще­ственные изменения состояния материала, деформация соединения и т. д. Этот показатель может быть использован наряду с погонной энергией q / v, где q - эффективная мощность источника энергии для сварки.

Анализ типовых структурных схем передачи энергии при раз­ных сварочных процессах (табл. 1.4) позволяет обосновать пред­лагаемую выше классификацию. Например, при дуговой сварке электрическая энергия ЭЛ из сети проходит следующий путь:

 

 

 

 

- преобразуется в сварочном источнике питания для получения
нужных параметров тока и напряжения дуги;

- преобразуется в дуговом разряде в другие виды энергии: термическую Т, электромагнитную ЭМ, электрическую ЭЛ;

- поступает в зону сварки в виде теплоты, изменяя внутрен­нюю энергию соединения, расходуясь на образование новых атом­ных связей, новых структур материала, деформацию и нагрев из­делия, и т. д.

 

Термические процессы

 

Для всех термических сварочных процессов, независимо от ви­да носителя энергии (инструмента), она вводится в стык в конеч­ном итоге всегда через расплавленный материал. Энергия хаотиче­ски движущихся частиц расплавленного материала носит в термо­динамике название термической, чем и обосновано наименование этих процессов.

Теория термических процессов и их применение описаны в гл. 2 и 3 достаточно подробно. Из рассмотрения исключены хими­ческие процессы газовой и термитной сварки, индукционная и электрошлаковая сварка, которые изучаются в соответствующих технологических курсах.

 

Термомеханические процессы

 

К термомеханическим сварочным процессам относятся про­цессы, идущие с введением теплоты и механической энергии сил давления при осадке. Теплота может выделяться при протекании электрического тока, газопламенном или индукционном нагреве, при введении в зону сварки горячего инструмента и т. п. Сварка может вестись как с плавлением металла (частичным или по всему соединению), так и без плавления. 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 на Земле при­обретает с каждым годом все большее значение.

Эффективность использования способов сварки плавлением достигается при минимальной ширине шва, что, в свою очередь, определяется степенью концентрации источника теплоты (диамет­ром пятна нагрева) и теплофизическими особенностями проплавления. Эти особенности учитываются при определении энерго­затрат на сварку через термический КПД процесса, а полученные выше минимальные оценки полезной удельной энергии составля­ют лишь часть общей энергии сварки, т. е. ε_ст = η_иη_tε_св. Учитывая эффективный и термический КПД сварочных процессов, можно изменить представление о целесообразности применения того или иного способа сварки при прочих равных условиях. Например, ду­говая сварка с высокими значениями эффективного КПД (η_и = 0,6...0,8) характеризуется низкими значениями термического КПД (η_t = 0,15...0,25). Электронно-лучевая сварка, характеризует­ся более высокими значениями η_и (0,8...0,9) и η_t(0,3...0,5). В тер­модинамическом аспекте она более предпочтительна.

Сопоставим удельные энергозатраты на сварку листов низко­углеродистой стали толщиной 10 мм различными способами (табл. 1.5). Минимальное энергосодержание расплавленной стали составляет около 9000 Дж/см³. Приведенные в табл. 1.5 оценки являются приближенными, так как даже для одного и того же про­цесса на разных режимах сварки энергозатраты могут различаться в 1,5-2 раза, что определяется параметрами режима и свариваемо­го сплава. Кроме того, КПД источника теплоты не является посто­янным, ввиду его зависимости от скорости сварки, состояния по­верхности и др.

Для одного и того же источника энергии, например при кон­тактной сварке, внутреннее сопротивление машины может разли­чаться в 10 раз и соответственно этому изменяется КПД источника.