Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Джерела нагрівання та

.pdf
Скачиваний:
76
Добавлен:
25.02.2016
Размер:
3.57 Mб
Скачать

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

зникає (зварювання плавленням).

2. Активація поверхневих атомів без розплавлення – нагріванням і стисненням – поверхня розділу при цьому зникає (зварювання тисненням, зварювання тертям).

Отже, дві речі необхідні для подолання енергетичного бар’єру при

утворенні нероз’ємного зварного з’єднання:

Перше: Нагрівання поверхонь з’єднуваних деталей.

Друге: Дотикання, здавлювання або стискання з’єднуваних поверхонь (називається спеціальним терміном – осадка).

Нагрівання – компенсує енергію поверхневого натягу (визволяє частки з потенціальної ями), ослаблює зв’язки між частками, робить їх більш рухливими, надає матеріалу пластичності.

Осадка – створює пластичні деформації, викликає течію матеріалу вздовж з’єднуваних поверхонь, руйнує і видавлює назовні поверхневі оксиди та інші забруднення. Нагрівання і осадка доповнюють одне одного.

Чим менше нагріваємо, тим більша необхідна осадка і навпаки:

У процесах формування нероз’ємного з’єднання можуть бути використані в окремих випадках також явища взаємної дифузії, але в будь-якому випадку потрібне нагрівання і осадка.

Виходячи з наведеного, можливі такі узагальнені принципові схеми виконання типових способів зварювання:

11

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Існують такі матеріали, які неможливо з’єднувати зварюванням навіть теоретично. Наприклад: дерево, графіт – ці матеріали не мають стадії пла-

влення вони газифікуються раніше, ніж розплавляться. Таким чином, їхні поверхневі частки не можуть бути активовані до рівня, необхідного для виникнення сил міжатомного (міжмолекулярного) зчеплення. З іншого боку, і руйнуються вони раніше, ніж сила осадки досягне величини, необхідної для міжатомної (міжмолекулярної) взаємодії. Деталі з таких матеріалів з’єднують у нероз’ємні з’єднання іншими способами – паянням, склеюванням, ін.

Про класифікацію видів і способів зварювання.

Класифікувати види і способи зварювання можна за різноманітними критеріями, але історично склалася доцільність виділення трьох основних фізичних ознак класифікації:

а) спосіб активації поверхневих часток (плавлення чи тиснення); б) вид енергії, яка вводиться в зону з’єднання; в) вид інструменту – носія енергії.

Інші ознаки можна віднести до технічних, або технологічних (див. табл. нижче):

Найменування ознаки

Зміст ознаки

Ступені класифікації

 

Наявність тиску при зварю-

Клас

 

ванні

 

 

Фізичні

Вид енергії, яка використо-

Підклас

вується при зварюванні

 

 

 

Вид нагрівання, або механі-

Метод

 

чної дії (інструменту)

 

 

 

Встановлюються для кож-

Група

Технічні

Підгрупа

ного методу окремо

Вид

 

 

 

Різновидність

Технологічні

Встановлюються для кож-

Спосіб

ного методу окремо

Прийом

 

Техніко-економічні

Питома енергія, необхідна

Розташування методів від

для з’єднання, питомі ви-

механічних до термічних

 

трати, інше подібне

в залежності від витрат

12

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Ознака класифікації по наявності стискання притаманна тільки зварюванню. По виду енергії, яка вводиться у виріб, всі зварювальні (і споріднені, включаючи паяння, різання, ін.) процеси можуть бути поділені на термічні, термомеханічні і пресово-механічні способи. Термічні процеси відбуваються без стискання (зварювання плавленням), інші – зазвичай зі стисканням (зварювання тисненням).

Класифікація зварювальних процесів:

Зварювання плавленням

Зварювання тисненням

(без стиснення)

(зі стисненням)

Термічні процеси

Термомеханічні

Пресово-механічні

процеси

процеси

 

Газове

Контактне*

 

Термітне

Газопресове

Холодне

Дугове*

Індукційне з тиском

Тертям

Електрошлакове*

Дугопресове (дугоко-

Індукційне

нтактне)

Ультразвукове

Вибухом

Електронно-променеве

Пічне з тиском

Вакуумним схоплю-

Фотонно-променеве (лазерне)

Термітне з тиском

ванням**

Плазмово-променеве (мікропла-

Термокомпресійне

 

змове)

Дифузійне*

 

*Потребує додаткової класифікації за технічними та технологічними ознаками.

**Промислового застосування не має.

Енергетичний аналіз показує, що практично всі відомі у наш час процеси зварювання металів здійснюються введенням тільки двох видів енергії – термічної чи механічної, або їх поєднаннями.

Термін «зварювання тисненням», який склався історично, не зовсім точний, тому що стискання не єдина зовнішня дія в цьому випадку. У переважній більшості випадків зварювання тисненням необхідне й нагрівання також. З іншого боку, стискання необхідне завжди, коли при зварюванні відсутня ванна рідкого (розплавленого) металу, і зближення атомів (та їх активація) досягається внаслідок пружно-пластичної деформації матеріалу

13

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

поверхонь.

Слід особливо відзначити, що і при наявності стискування також може відбуватись і нагрівання і розплавлення металу, наприклад при контактному точковому або шовному зварюванні (з утворенням литого ядра точки), а також при стиковому зварюванні оплавленням, при зварюванні тертям, і т.п.

Таким чином, всяка класифікація досить умовна і відображає скоріше особисті уподобання авторів, ніж об’єктивні характеристики процесів, які відбуваються насправді, але, в той же час, дає можливість узагальнити відомі явища і уявити, хоча б приблизно, місце кожного процесу серед інших.

Вище, в таблиці, для прикладу наведена класифікація методів зварювання за фізичними ознаками.

Нормативними документами нашої й деяких інших країн (асоційованих у Міжнародний Інститут Зварювання (IWI)) рекомендується класифікувати способи зварювання по виду енергії, яка застосовується для активації поверхневих атомів (див. рис. нижче):

Звичайно, такий поділ досить умовний. Навіть з наведеної діаграми зрозуміло, що є способи зварювання, які водночас використовують різні

14

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

види енергії і часто незрозуміло, який з них переважає. Наприклад, якщо газове зварювання засноване на безпосередньому використанні енергії хімічного зв’язку, то зварювання вибухом використовує хімічну енергію опосередковано для продукування механічних сил, дія яких, в свою чергу, і приводить до утворення зварного з’єднання. Те саме відноситься й до лазерного зварювання: з’єднання формує енергія фотонів (випромінювання), а не безпосередньо електрична, яка необхідна для функціонування самого лазера і т.д. Навіть відоме вже тисячі років досить просте й досить примітивне ковальське зварювання використовує на рівноправних засадах як хімічну енергію – нагрівання з’єднуваних деталей полум’ям вугілля або газу – так і механічну енергію ковальського молота.

Підсумовуючи зазначимо, що практично всі способи зварювання, крім хіба що холодного, потребують інтенсивного місцевого нагрівання. Це вимагає наявності потужних концентрованих джерел теплоти для можливості виконання зварного з’єднання.

Таким чином, одним з найважливіших учасників зварювального процесу виступає джерело зварювального нагрівання – інструмент активації для надання поверхневим атомам (чи молекулам) енергії, достатньої для вступу у взаємодію з частками (атомами чи молекулами) іншої поверхні.

15

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

ДЖЕРЕЛА ЗВАРЮВАЛЬНОГО НАГРІВАННЯ

Загальні характеристики джерел зварювального нагрівання

Для того, щоб зварне з’єднання відбулося, частки (іони, атоми, молекули) з’єднуваних поверхонь повинні бути зближені на відстань одного порядку з параметром кристалічної ґратки і, крім того, активовані: для можливості взаємодії вони повинні подолати сили поверхневого натягу. Все це потребує значних енергетичних витрат. Причому, вони повинні бути здійснені саме в місці з’єднання.

Найпростіший спосіб збільшення енергії поверхневих часток – це нагрівання. Лише в дуже обмежених випадках для формування зварного з’єднання вистачає тиснення (при холодному зварюванні), але й при цьому в місці стискання, при досягненні матеріалом стану пластичної течії, виділяється досить значна кількість теплоти. Таким чином, нагрівання зварюваних поверхонь практично завжди є необхідною (або супутньою) умовою виконання зварного з’єднання.

Різні джерела нагрівання використовуються при виконанні різних способів та видів зварювання. Це можуть бути: газове полум’я; світлові, лазерні та електронні промені; контактний електричний опір; розплавле-

ний метал, чи розплавлений шлак; електрична дуга, та її різновиди плаз-

ма, мікроплазма; теплоти хімічних реакцій термітних чи вибухових; і т.д. В усіх випадках, не дивлячись на величезні відмінності і в фізичних принципах отримання енергії, і в способах доставки її в зону зварювання, справедливі деякі положення, які в загальному вигляді описують взаємо-

дію джерела нагрівання і зварюваного виробу.

Зазвичай зварювання виконується з місцевим нагріванням виробу до деякої температури (TM ), яка необхідна для з’єднання і яка залежить від

16

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

властивостей зварюваного матеріалу і виду (способу) зварювання. Ця температура повинна бути в межах:

 

при зварюванні плавленням:

TПЛ <TM <TКИП ,

 

при зварюванні тисненням:

TMIN <TM <TПЛ ,

де: TПЛ

температура плавлення металу, який зварюється;

TКИП температура кипіння металу, який зварюється;

TMIN

– найменша температура, при якій можливі пластичні дефо-

 

рмації, течія і дифузія в металі, який зварюється.

Нижче на рисунку позначені ці температури і представлені температурні інтервали для низьковуглецевої сталі:

Проста логіка здорового глузду підказує також, що для ефективного використання тепла необхідно, щоб зварюваний матеріал лише в мінімально необхідній мірі (об’ємі) доводився до потрібної для зварювання температури. (Щоб з’єднати зварюванням деталі, можна їх і повністю нагріти до температури плавлення TПЛ , але це ніколи не буває доцільним).

Баланс енергій зварювального процесу

Для зварювального нагрівання використовують перетворення різних видів енергії (електричну, механічну, хімічну та їх комбінації) в теплову, яка власне й використовується для нагрівання з’єднуваних поверхонь. Зрозуміло, що коли маємо справу з переходом енергії від одного об’єкта до іншого, найбільш загальні закони функціонування таких процесів диктує термодинаміка. Відповідно до законів термодинаміки, теплота при цьому переходить від джерела нагрівання, де температура вища, до зварюваного

17

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

матеріалу, де температура нижча, частково розсіюючись в навколишнє середовище.

Джерело енергії (назвемо його умовно енергетичний резервуар) по-

стачає енергію ( Eвх ) джерелу живлення, яке перетворює її у вид, зручний для використання даним способом зварювання (див. рис. нижче). Цей процес, звичайно, супроводжується втратами деякої кількості енергії ( Bт1).

Схема енергетичного балансу процесу зварювання

1 електрична мережа; енергія хімічна, енергія механічна і т. п;

2трансформатор, випрямляч, газовий пальник, електронна гармата, лазер і т. п;

3електрична дуга, газове полум’я; промінь світловий, електронний і т. п;

4зварювані деталі.

Джерело живлення передає енергію ( Евих ) інструменту, який безпосе-

редньо діє на зварювані деталі. Енергію, яку отримує від джерела живлення зварювальний інструмент прийнято вважати саме тією, яка витрачається

на зварювання ( Eзв ): Евих = Езв

 

Таким чином, буде справедливим:

Евих = Езв = Евх Вт2

На шляху від джерела живлення через зварювальний інструмент до деталей частина енергії теж безповоротно розсіюється в навколишнє середовище ( Вт2 ). Тому зварюваних деталей досягає енергія інструменту

( Eін ), яка нагріває їх, розплавляє і, фактично, виконує зварне з’єднання:

Eін = Eзв Вт2

Безпосередньо від зварного шва частина енергії теж безповоротно втрачається: на випаровування перегрітого та розбризкування розплавле-

18

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

ного металу ( Bт3 ), на теплопровідність всередину зварюваного металу,

втрати тепла на конвекцію, випромінювання і т.ін. ( Вт4 ).

Тоді, на виконання власне зварного шва (проплавлення зварюваного металу) витрачається енергія ( Eшв ): E шв = E ін Bт3 Bт4 .

Таким чином, наочно спостерігаємо, що на виконання безпосередньо зварного шва витрачається значно менше енергії, ніж її споживається джерелом живлення від енергетичного резервуара.

Ефективність зварювальних джерел нагрівання

Якщо виконується якась робота, тоді співвідношення енергії, витраченої на корисну роботу, до спожитої енергії характеризують коефіцієнтом корисної дії (ККД) системи, яка виконує цю роботу.

Залежно від того, що вважають корисною роботою, а що спожитою енергією, в зварювальній науці і техніці прийнято розрізняти такі коефіцієнти корисної дії:

Ефективний коефіцієнт корисної дії джерела зварювального на-

грівання.

Це є відношення енергії, витраченої джерелом зварювального нагрівання на нагрівання і плавлення зварюваного металу ( Eін ) до енергії, спо-

житої джерелом зварювального нагрівання від джерела живлення ( Eзв ):

η= Eін

Езв

Цей показник характеризує ефективність використання джерела зварювального нагрівання (інструменту) для процесу зварювання і для розповсюджених способів зварювання, як правило, не перевищує значень

80…90 %.

19

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Термічний коефіцієнт корисної дії джерела зварювального нагрі-

вання.

Це є відношення енергії, витраченої лише на проплавлення зварюваного металу( Eшв ) до енергії, яку витрачає джерело зварювального нагрі-

вання (інструмент) ( E

ін

):

η

т

=

Eшв

Е

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ін

Цей показник характеризує ефективність проплавлення зварюваного металу джерелом зварювального нагрівання (інструментом) і для розповсюджених способів зварювання, як правило, не перевищує значень

40…50 %.

Термодинамічний коефіцієнт корисної дії процесу зварювання.

Це є відношення енергії, яка витрачається тільки на проплавлення зварюваного металу ( Eшв ) до енергії, яка споживається джерелом зварюваль-

ного нагрівання ( E

зв

):

η

тд

=

Ешв

Езв

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Цей показник характеризує ефективність всього процесу виконання зварного з’єднання і для розповсюджених способів зварювання, як правило, не перевищує значень 20…30 %. Неважко бачити, що між цими коефіцієнтами справедливе співвідношення: hтд = h ×hт

Потрібно особливо підкреслити, що саме термодинамічний ККД характеризує долю енергії, витраченої на виконання тільки зварного шва, відносно енергії, виділеної джерелом живлення на зварювальний процес в цілому. Саме цей коефіцієнт показує співвідношення енергії, спожитої лише для корисної роботи (зварний шов виконано) та енергії, витраченої джерелом живлення (що покаже лічильник, грубо кажучи). Насправді енергетичні витрати будуть ще більшими, бо не враховано ККД самого джерела живлення.

20