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_пл Т_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

1.Какие существуют межатомные связи, какова их природа?

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

3.Какова сущность стадийности сварки?

4.В чем заключается основное отличие сварки плавлением от сварки давлением?

5.В чем состоит основное отличие сварки плавлением от пайки?

6.В чем заключается основное отличие пайки от склеивания?

7.Чем отличается физическое определение сварки от термодинами­ческого?

8.Назовите основные признаки классификации сварочных процессов.

9.В каких случаях целесообразно использовать удельную энергию при оценке энергетической эффективности сварки?