Свариваемость материалов

основные сварочные процессы, включая сварку, пайку и резку, разделены (табл. 1.2) на термические (Т), термомеханические (ТМ), термопрессовые (ТП), механические (М), прессово-ме­ ханические (ПМ). Признак классификации по наличию давле­ ния применим только к сварке и пайке.

Форма энергии, применяемой в источнике энергии для сварки (электрическая, химическая и др.), как классификацион­ ный признак не используется, так как он характеризует глав­ ным образом не процесс, а оборудование для сварки.

Т-процессы осуществляются без давления (сварка плав­ лением), остальные — обычно только с давлением (сварка дав­ лением). Указанные в табл. 1.1 термины (класс, метод, вид) условные, но, войдя в классификацию, они позволяют в даль­ нейшем вести четкую систему типизации процессов сварки. Тер­ мин «процесс» использован как независимый от классификаци­ онных групп.

Все известные в настоящее время процессы сварки металлов осуществляются за счет введения только двух видов энергии — термической и механической или при их сочетании. Поэтому

в четвертый подкласс особых процессов пока могут быть вклю­ чены только нейтронная сварка пластмасс и (условно) склеи­ вание, которое происходит без существенного введения энер­ гии извне. В табл. 1.2 эти процессы не указаны, так же как сварка восстановления из солей металлов, электролитическая сварка, сварка напылением и др.— весьма редко используемые процессы. В табл. 1.3 для примера даны виды дуговой сварки.

Под сварочными процессами в настоящее время понимают достаточно широкую группу технологических процессов соеди­ нения, разъединения (резки) и локальной обработки материа­ лов, как правило, с использованием местного нагрева изделий.

Дуга, луч, газовое пламя — внешние носители энергии, от которых энергия передается в изделие тем или иным способом. При термитной сварке разогрев происходит за счет внутрен­ него источника в результате преобразования в теплоту химиче­ ской энергии, выделяемой при реакции горения термита. Для всех термических процессов сварки плавлением (независимо от вида носителя энергии — инструмента) в стык энергия вводится всегда путем расплавления металла.

В термомеханических и механических процессах преобла­ дают внутренние носители энергии, в которых ее преобразова­ ние в теплоту происходит главным образом вблизи контакта соединяемых изделий — стыка.

1.3. Оценка эффективности сварочных процессов

1.3.1. Обобщенный баланс энергии

Обобщенный баланс необходим для количественной оценки пе­ редачи и преобразования энергии при разных видах сварочных процессов. Баланс включает следующие основные ступени пе­ редачи энергии (рис. 1.4): сеть питания; источник энергии для сварки или трансформатор энергии ТЭ; носитель энергии — ин­ струмент, передающий энергию от трансформатора к зоне сварки (резки или напыления); изделие — стык соединяемых изделий.

В балансе удобно использовать удельную энергию е, Дж/м2, определяемую в расчете на единицу площади стыка.

Энергия, получаемая сварочной установкой от сети питания

лиз затрат энергии на собственно сварочные и вспомогательные операции показан на рис. 1.5.

На выходе ТЭ энергия передается источником инструменту, вводящему ее затем в зону сварки. С учетом потерь П1 в ТЭ энергия есв составит

вс# — еВЫХ — 8вх rij.

ский rjt к. ц. д. процесса, которые в обозначениях данной схем^ выражаются

Кроме того, целесообразно использовать термодинамический k. п. д. процесса

Лтд = 0ст/есв =» ЛиЛл

который показывает отношение минимальной удельной энергии еСт, Необходимой я зоне сварки для выполнения данного соеди­ нения, к требуемой энергии источника на выходе трансформа­ тора ТЭ. Удельная энергия е Ст Дж/м2 соответствует в данном случае изменению энергосодержания зоны стыка, отнесенному к площади получаемого за счет этой энергии соединения.

l. 3.2. Схема балансов энергии

Обобщенный баланс справедлив для всех источников энергии — как внешних, так и внутренних. Большинство Т- и ТП-процессов осуществляется с внешними источниками.

Внутренний источник энергии рассматриваем как некоторый активный объем в общем случае с одинаковой глубиной в обе стороны от стыка. Считаем, что в активном объеме происходит преобразование вводной энергии из одной формы в другую (как правило, тепловую). В этом случае энергия ест, Дж/мм2, требуемая для сварки (или резки) единицы контактной пло­ щади, может быть приближенно определена как произведение среднего единичного активного объема V, мм3/мм2, на его сред­ нее энергосодержание АН, Дж/мм3. Принимая микротермическую гипотезу образования сварного соединения как результат местного повышения температуры в активном объеме, опреде­ ляем АН как произведение удельного теплосодержания су, Дж/(мм3-К) на среднюю температуру АТ активного объема. Тогда Ecr=VAH=VcyAT.

Например, для холодной сварки алюминия имеем глубину

порядок величин ест получим при оценке требуемой энергии для сварки взрывом: для алюминия 10 Дж/мм2, для молибдена ~50 Дж/мм2. Некоторое увеличение ест получаем для сварки ультразвуком и особенно трением, где глубина и активный объем могут быть значительными.

Сравнивая ест с энергией eCD, затрачиваемой на выполнение

= 60 Дж/мм2 для алюминия и еСв=600 Дж/мм2 для молибдена.

соответственно равно 0,5—0,15.

Приведенные оценки величин энергии еСт, есв и т)Тд весьма приближенные. Практически полезность подобных расчетов связана с тем, что получаемые значения к. п. д. г)Тд весьма хо­ рошо отражают сравнительную энергоемкость разных процес­ сов и ориентируют на использование менее энергоемких мето­ дов.

1.3.3. Оценкй эффективности источников энергии

Для правильного выбора того или иного сварочного процесса применительно к конкретному изделию следует учитывать по крайней мере три основных фактора: техническую возможность применения процесса; качество и надежность получаемого со­ единения; энергетическую и экономическую эффективность сва­ рочного процесса.

Первый фактор должен быть выполнен безусловно. Вторые два фактора следует учитывать так, чтобы найти оптимальное решение в каждом конкретном случае. Для правильного и обо­ снованного учета факторов качества и надежности соединений одновременно со степенью эффективности применяемого про­ цесса сварки нужна единая методика их количественной оценки. Эффективность процессов сварки плавлением оценивают обычно такими показателями, как эффективный и термический к. п. д., коэффициенты расплавления и наплавки и т. п. Источ­ ники сварочного нагрева характеризуют обычно удельным теп­ ловым потоком в пятне нагрева qmaXy Вт/см2, и коэффициентом

в пятне нагрева имеют лучевые источники, для которых qmax примерно 1 • 1010 Вт/см2. Однако их применение для сварки ограничено верхним пределом 1 • 107 Вт/см2 для электронного и фотонного луча. При более высоких плотностях энергии в пятне

возможность выполнить одно и то же соединение разными ме­ тодами сварки, а также пайкой или склеиванием. Основная за­ дача любого из этих трех процессов — получение определенной площади качественно соединяемых материалов. Поэтому целе­ сообразно применять удельные показатели эффективности, от­ несенные к единице площади соединения [1, 2].

Расчет значений есв Для разных способов сварки коррозион­ ностойкой стали типа 18-8 показал (рис. 1.7), что с увеличением

Рис. 1.6. Удельная мощность различных ис­ точников энергии сварочных процессов в пятне

толщины изделия удельная сварочная энергия резко возрастает при использовании многопроходной сварки. Например, аргонодуговая сварка W-электродом (АДВ) обеспечивает сварку стыкового соединения листов толщиной 15 мм при общих затратах на все проходы до 1000 Дж/мм2. Электронно-лучевой процесс (ЭЛС) благодаря кинжальному проплавлению и одно­ проходной сварке позволяет сваривать встык металл толщиной 10—50 мм практически при одной и той же удельной энергии 30—60 Дж/мм2. Использование плазменной дуги (ПД) и дуги в вакууме (ВД) при узкой разделке также позволяет потреб­ лять при сварке меньше энергии (еСв= 150-=-300 Дж/мм2), чем для дуги под флюсом (ДФ), которая в зависимости от ра.зделки кромок требует еСв = 400-Т-800 Дж/мм2.

Сравнение критериев еи и е0бщ показывает, что еи с умень­ шением интенсивности источника возрастает примерно от еди­

= 100 Дж/мм2. Однако при толщинах свыше 100—120 мм мощ­ ности источника не хватает для интенсивного ведения процесса, и еР возрастает до 300—350 Дж/мм2.

Критерий еР вычисляется так же, как и есв, а удельная энер­ гия выплавления ев = еРт)в, где riB—энергетический коэффициент

Рис. 1.8. Порядок величин удельной энергии е„ и еобщ. Дж/мм2,

необходимой для однопроходной сварки стали различными мето­ дами. евсм Д ля ЭЛС подсчитано с учетом вакуумирования ка­

меры и сварки соединения сечением около 1000 мм2. Обозна­ чения см. подпись под рис. 1.6, ЛЛ — лазерный луч

выплавления, составляющий при оптимальных режимах резки металла толщиной 10—100 мм для стали 18-8 ~ 55 %, а для сплава АМг ~25 %.

Сравнение эффективности Т, ТП и ПМ-процессов сварки по­ казывает, что для многих видов соединений и материалов ме­ ханические и термомеханические процессы сварки требуют значительно меньше энергии, чем сварка плавлением. Напри­ мер, для сварки встык стальных стержней диаметром 20 мм при дуговом ванном способе необходимо есв=1В00 Дж/мм2, при контактной стыкбвой сварке оплавлением ~400 Дж/мм2, при сварке трением ~ 130 Дж/мм2. Для сварки встык пластин из алюминиевого сплава толщиной 5 мм требуется: при аргоно­ дуговой сварке есв = 300 Дж/мм2, при контактной сварке ~200 Дж/мм2, при холодной сварке ~30 Дж/мм2.

Анализ эффективности по различным классам сварочных процессов позволяет построить условную диаграмму удельной энергии, необходимой для сварки соединений определенного типа с применением разных процессов или источников энергии.

На диаграмме (рис. 1.9) по вертикальной оси в логарифмиче­ ском масштабе отложены приблизительные значения ен, а по горизонтальной оси указаны возможные процессы примени­ тельно к сварке встык стальных листов толщиной до 20 мм или стержней диаметром до 20 мм.

Целесообразно в ряде случаев применять показатель удель­ ной энергии е= <7/об (Дж/м,2) как более информативный, чем

Рис. 1.9. Удельная энергия е„, требуемая для выполнения одно­ типных стыковых соединений с применением разных процессов

показатель погонной энергии q/v, измеряемый в Дж/м. Исполь­ зование при анализе разных методов сварки показателей удель­ ной энергии е, Дж/м2, стимулирует выбор перспективных в от­ ношении энергоемкости процессов и источников энергии.

1.3.4. Примеры расчетов

Определение удельной энергии ест для различных способов сварки. Основные физические свойства металлов и сплавов приведены в табл. 1.5.

1. Сварка плавлением. Рассмотрим сварку плавлением встык ванным способом двух алюминиевых стержней диамет­ ром 20 мм. Согласно обобщенной схеме баланса энергии (см. рис. 1.6,а), существует внешний источник энергии, которая вно­ сится с расплавляемым электродным металлом. Удельное объ­ емное энергосодержание расплавленного металла при темпера-