§ 1.5. Баланс энергии процесса сварки.

Для количественной оценки процессов передачи и термодинамического преобразования энергии при разных видах сварки рассмотрим обобщенную схему баланса энергии (рис. 8) сварочного процесса. Удобно использовать удельную энергию Дж/мм², определяемую в расчете на единицу площади соединения.

Рис.8. Обобщенная схема баланса энергии сварочного процесса

- энергия, получаемая сварочной установкой от сети питания;

- энергия, используемая непосредственно на сварку;

- вспомогательные операции;

- энергия на входе трансформатора энергии

- потери энергии в трансформаторе;

- энергия на выходе трансформатора энергии, вводимая в зону сварки ( )

- потери при передаче энергии к изделию

- энергия, введенная в изделие

- потери энергии на теплопроводность в изделие

- энергия, аккумулированная в зоне стыка

- потери уноса (испарение металла, брызги, выплавление металла) (в основном при резке)

Каждая ступень передачи энергии от источника к изделию имеет свой к.п.д. В теории распространения теплоты при сварке часть используют:

- эффективный к.п.д.:

- термический к.п.д.:

§ 1.6. Оценка энергетической эффективности процесса сварки.

Выбор источника энергии для сварки конкретного изделия основывается на учете:

- технической возможности применения данного источника;

- энергетической и экономической эффективности процесса;

- качества и надежности полученных соединений.

Концентрация энергии термических источников может оцениваться удельной мощностью в пятне нагрева. Максимальные значения этого показателя могут достигать до 10⁶÷10⁸ Вт/см² и выше при пятне нагрева порядка 10^-7 см² (фотонный, электронный лучи). Однако, сварка реализуется в диапазоне удельной мощности порядка 10⁴÷10⁶ Вт/см², т.к. большие удельные мощности приводят к значительному испарению металла и переходу к режимам резки и размерной обработки.

Таблица 2- Плотность энергии различных источников тепла

Источник тепла	Минимальная площадь пятна нагрева , см2	Максимальная плотность энергии, Вт/см2	Температура плавления, °К
Ацетилено-кислородное пламя	1·10-2	5·104	до 3500
Электрическая сварочная дуга (в парах железа)	1·10-3	105÷107	5000÷6000
Электронный луч	1·10-7	108	-*
Луч ОКГ (лазера) Фотонный луч	1·10-8	~109	-*

*- Понятие температуры в луче не характерно, т.к. движение частиц в основном направленное, а не хаотичное.

Для оценки эффективности разных классов сварочных процессов целесообразно использовать величины удельной энергии ( ) Дж/мм², необходимой при сварке данного соединения.

Оказывается, что для многих видов соединений и материалов прессовые и термопрессовые процессы сварки требуют значительно меньше энергии, чем сварка плавлением. Например, для сварки встык пластин из алюминиевого сплава толщиной 5 мм требуется :

1) при аргоно-дуговой ~ 300 Дж/мм²

2) при контактной ~ 200 Дж/мм²

3) при холодной ~ 30 Дж/мм²

Расчет значений (удельной энергии) для разных методов сварки плавлением нержавеющей стали типа 18-8 показал, что с увеличением толщины изделия удельная сварочная энергия резко возрастает при использовании многопроходной сварки. ЭЛС благодаря кинжальному проплавлению и однопроходной сварке позволяет соединить встык листы толщиной 10-50 мм практически при неизменной удельной энергии порядка 20-60 Дж/мм².

Рис. 9. Средние значения Дж/мм² при сварке стали 18-8: АДС – аргоно-дуговой сваркой; ДФ – сваркой под флюсом; ПД – плазменно-дуговой сваркой; ЭЛС – электронно-лучевой сваркой

Рис. 10. Порядок величин удельной энергии и , необходимой для однопроходной сварки стали разными методами

Сравнение критериев и для однопроходной сварки стали показывает, что с уменьшением интенсивности источника возрастает от единиц (3÷5 Дж/мм²) для лазерной сварки до сотен (200÷400 Дж/мм²) для газового пламени. В то же время общие затраты энергии (с учетом вакуумирования ЭЛ, к.п.д. процесса лазерной сварки ~ 0,1 %) в сотни и тысячи раз выше для этих источников, чем для свободной дуги в аргоне или газового пламени.