Типовой баланс энергии процесса сварки

Для количественной оценки передачи и термодинамического преобразования энергии при разных видах сварки можно построить обобщенную схему баланса энергии:

1. сеть питания;

2. источник энергии для сварки (трансформатор энергии ТЭ);

3. носитель энергии (инструмент), передающий энергию от трансформатора к зоне сварки;

4. изделие (зона сварки).

Рис.6. Типовой баланс энергии процессов сварки

Условные обозначения приняты следующие:

_уст - энергия, получаемая установкой от сети и тратится на энергию сварочную _св и вспомогательные операции _всп;

_вх – энергия на входе трансформатора энергии;

_и – энергия, введенная в изделие;

_вых – сварочная энергия;

_ст – энергия, аккумулированная в зоне стыка;

П₁ – потеря энергии в трансформаторе;

П₂ – потеря энергии при передачи ее в изделие;

П₃ – потеря энергии на теплопроводность изделия;

П₄ – потеря на испарение, разбрызгивание, излучение;

_св – энергия на выходе трансформатора, передаваемая источником энергии инструменту, передающему ее в зоне сварки.

_вых=_вх-П₁;

_и=_св-П₂;

_ст=_и-(П₃+П₄).

Каждая ступень передачи энергии имеет отношение энергии в изделии на _св.

- истинный или эффективный КПД

Их произведение даст термодинамический КПД, с помощью которого можно выявить общие закономерности по вводимой энергии для всех существующих процессов сварки:

Классификация процессов сварки

При классификации процессов сварки выделяют 3 основных физических признаков:

1. наличие давления;

2. форма вводимой энергии (ее изменения во времени);

3. вид инструмента (носителя энергии).

По виду вводимой энергии сварочные процессы делятся:

1. сварка плавлением

термические процессы (газовая, дуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная, плазменная);

2. сварка давлением

а) термомеханические процессы (контактная, газопрессовая, индукционная с давлением, дугопрессовая, термитная с давлением, диффузионная;

б)механические (холодная, трением, ультразвуком, взрывом, высокочастотная).

Термические процессы – это когда энергия хаотически движущихся частиц расплавленного металла независима от вида носителя энергии, вводится в конечном итоге через расплавленный металл.

Термодинамические процессы – к ним относятся процессы, идущие с введением теплоты и механической энергии сил давления при осадке. Теплота может выделяться при протекании электрического тока в газопламенном или индукционном нагреве, введением в зону сварки горячего инструмента и т.п. Сварка может вестись как с расплавлением металла, так и без плавления (в твердом состоянии).

Механические процессы – в основе лежит пластическая деформация, создаваемая тем или иным способом в зоне сварного соединения. Механические процессы обычно идут без нагрева и используются для образования монолитных соединений, таких пластических металлов, как Al, Cu и т.д.

Оценка энергетической эффективности процесса сварки

При выборе источника энергии для сварки конкретных изделий следует учитывать техническую возможность применения данного источника, эффективность процесса (энергетичность и экономичность), а также качество и надежность получаемых изделий. Концентрация энергии термических источников может оцениваться удельной мощностью в пятне нагрева. Наибольшую интенсивность энергии до 10⁸ Вт/мм² и выше при пятне нагрева до 10^-6мм² могут иметь лазерные и электронные лучи (табл.1).

Однако, сварка возможна только при плотности 10²-10⁴ Вт/мм², так как большие удельные мощности приводят к выплескам и испарению металла, полезному лишь при резке и размеренной обработке материала. Вольная мощность луча и энергетические коэффициенты наплавки, расплавления и др. (см гл.3) пригодны для оценки только главных отделочных видов источников энергии и видов сварки. Для оценки эффективности разных классов сварочных процессов и пайки целесообразно использовать значение удельной энергии _св и _и, необходимой при сварке донного соединения.

Таблица 15

Энергетические характеристики термических источников энергии для сварки и резки

Источник энергии	Температура пламени или дуги, К	минимальная площадь пятна нагрева, см2	максимальная плотность энергии в пятне нагрева Вт/см2
Газовое пламя	3000-3500	1	5.102
Топливное –плазменное пламя	4000-5000	1	5.102
Дуга в парах: щелочных металлов железа	4500-5000 5000-6000	1 1	1.104
Дуга в газах H, N Ar, He	5000-8000 10000-20000	1.10-1	1.103
Микроплазменная дуга	-	1.10-4	1.106
Электрон. луч	-	1.10-5	1.107
Лазер. Луч	-	1.10-6	1.108