Сварка - это процесс получения монолитного соединения материалов за счет введения и термодинамического необратимого преобразования энергии и вещества в месте соединения.
Склеивание, цементирование и другие соединительные процессы, обеспечивающие монолитность соединения, в отличие от сварки и пайки, как правило, не требуют введения энергии. Они реализуются обычно за счет введения и преобразования вещества (клея, цемента и т. д.) - рис. 1.5.
Рис. 1.5. Схема получения монолитного соединения при сварке, пайке и склеивании
Кроме самого общего, термодинамического, возможны и другие определения сварки. Например, сварка - как технологический процесс создания сварных конструкций или - как металлургический процесс и т. д. Однако именно энергия и пути ее преобразования, являются доминирующими факторами, определяющими характер процесса сварки как физико-химического явления.
Рассмотрение термодинамической структуры процессов сварки (см. рис. 1.4.) позволяет классифицировать их по виду введенной энергии на термические Т, термомеханические ТМ и механические М процессы.
Пользуясь первым началом термодинамики, можно подсчитать изменение внутренней энергии dU системы соединяемых элементов, теоретически необходимое для образования монолитного соединения при конкретных условиях: источнике энергии, материале изделий, конструкции соединения и т. д.
Типовой баланс энергии процесса сварки. Для количественной оценки процессов передачи и термодинамического преобразования энергии при разных видах сварки необходимо наметить обобщенную схему баланса энергии. Такая схема включает следующие основные ступени передачи энергии (рис. 1.6): сеть питания; источник энергии для сварки или трансформатор энергии ТЭ; носитель энергии - инструмент, передающий энергию от трансформатора к зоне сварки (резки или напыления), и изделие - зона сварки (стык соединяемых изделий).
Здесь энергия E может быть выражена в джоулях, но удобнее использовать удельную энергию e дж/м2, определяемую в расчете на единицу площади соединения (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Схема выбора рабочей площади S для расчета удельной энергии сварки стыковых (а),
нахлесточных (б) и крестообразных (в) соединений
Обозначение удельной энергии на различных стадиях ее преобразования в схеме баланса принято следующим:
eуст - энергия, получаемая сварочной установкой от сети питания; она может использоваться непосредственно на сварку
eсв и вспомогательные операции eвсп, необходимые для обеспечения сварки, например на вакуумирование;
eвх - энергия на входе трансформатора энергии ТЭ;
П1 - потери энергии в трансформаторе;
eвых или eсв - энергия на выходе ТЭ, передаваемая источником инструменту, вводящему ее затем в зону сварки:
eвых = eвх -П1;
П2 - потери при передаче энергии к изделию;
eи - энергия, введенная в изделие;
eи = eсв –П2;
П3 - потери энергии на теплопроводность в изделие;
eст - энергия, аккумулированная в зоне стыка:
eст = eи –(П3 + П4);
П4 - потеря уноса (с испарившимся или выплавленным материалом).
Потери уноса характерны главным образом для резки,номогут иметь место и при высокоинтенсивных процессах лучевой сварки.
Отдельные элементы в схеме передачи энергии в зависимости от вида процесса могут существенно измениться и даже отсутствовать совсем. Например, носителем энергии (инструментом) в термических процессах является луч, дуга или пламя, а при контактной сварке - сам нагретый металл в зоне контакта.
Каждая ступень передачи энергии от источника к изделию может иметь свой коэффициент полезного действия. Из теории распространения теплоты при сварке известны эффективный и термический к.п.д. процесса, которые в обозначениях данной схемы выражаются следующим образом:
hи = eи /eсв , ht = ecт /eи .
Кроме того, по мере накопления данных по энергетическому анализу всех процессов сварки в дальнейшем целесообразно ввести термодинамический к. п. д. процесса:
hтд = ecт /eсв .
Этот к.п.д. по форме аналогичен к.п.д. процесса проплавления (например, при дуговой сварке листов), однако он имеет здесь более общий характер, так как показывает отношение минимальной удельной энергии ecт , необходимой в зоне сварки Для выполнения данного соединения, к требуемой энергии источника на выходе трансформатора ТЭ. Удельная энергия ecт дж/м2,соответствует в данном случае изменению энергосодержания dH зоны стыка, отнесенному к площади получаемого за счет этой энергии соединения.
Представляет интерес также сравнение введенной энергии eи и энергииeр ,необходимой для разрушения полученного соединения. Отношение этих показателей будет приближенно характеризовать некоторый физический к. п. д. процесса соединения материалов:
hф = eр /eи .
В связи с изложенным, целесообразно сравнивать по вводимой энергию все существующие процессы сварки. Этот критерий поможет выявить общие физические закономерности, связывающие их между собой.
Дата добавления: 2016-06-29; просмотров: 1801;