Термодинамическое определение и энергетическая классификация процессов сварки

Термодинамическое определение сварки. Все процессы в природе представляют собой различные формы движения материи. Каждая форма движения внешне проявляется в соответствующем виде энергии: движение тела — механическая энергия, движение электронов — электрическая, перераспределение атомов в молекулах — химическая и т. п. В процессах и явлениях природы энергия тел преобразуется из одной формы в другую.

Знание законов превращения энергии позволяет использовать ее с наибольшей эффективностью и наиболее высоким к.п.д. Наука, занимающаяся изучением этих законов, называется термодинамикой.

Анализ физико-химических особенностей получения сварных и паяных соединений позволяет установить наличие в зоне сварки двух основных физических явлений, связанных с необратимым изменением состояния энергии и вещества (рис.2. 1): 1) введения и преобразования энергии;

2) движения (превращения) вещества.

Форма, интенсивность вводимой энергии и характер ее преобразования— вот главное, что определяет особенности процесса сварки. Введение энергии всегда является необходимым условием сварки, так как без этого невозможна активация соединяемых поверхностей. Введение вещества необходимо только при некоторых методах сварки плавлением и пайки, причем энергия

Рисунок 2.1 – Схема 2.

в этих случаях может вводиться с расплавленным материалом (схема 2).

Характер движения вещества в зоне сварки меняется в различных процессах.

Движение значительно при сварке в жидкой фазе и пайке особенно присадочного материала. При сварке давлением с нагревом материал в зоне стыка испытывает незначительные превращения, в данном случае существенным является схватывание и диффузионное движение вещества через стык. Холодная сварка реализуется практически без движения вещества, если не учитывать переползания дислокаций и выхода их на поверхность.

Рисунок 2. 2 - Схема-модель, поясняющая термодинамическое определение процесса сварки; Т, ТМ, М — термические, термомеханические и механические процессы

Исходя из сказанного, можно дать следующее термодинамическое определение процесса сварки.

Сварка — это процесс получения монолитного соединения материалов за счет введения и термодинамического необратимого превращения 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 (преобразования) вещества: клея, цемента и т. д.

Кроме самого общего, термодинамического, возможны и другие определения сварки. Например, сварка — как технологический процесс создания сварных конструкций или — как металлургический процесс и г. д. Однако^ именно энергия и пути ее преобразования являются доминирующими факторами, определяющими характер процесса сварки как физического явления.

Типовой баланс энергии сварочных процессов. Для количественной оценки процессов передачи и термодинамического преобразования энергии при разных методах сварки необходимо наметить обобщенную схему баланса энергии. Такая схема, пригодная для любого сварочного процесса, включает в себя следующие основные ступени передачи энергии (рис. 5): сеть питания; источник энергии для сварки или трансформатор энергии ТЭ; носитель энергии — инструмент, передающий энергию от трансформатора к зоне сварки (резки или напыления) и, наконец, изделие — зона сварки -— стык соединяемых деталей.

Рисунок 2. 3 - Обобщенная схема баланса энергии сварочного процесса; ТЭ — трансформатор энергии. Энергия на разных участках цепи: «Сеть—место соединения»: всв — сварочная, Еи—введенная в изделие, Ест — реализованная непосредственно в месте сварки стыка (горизонтальной штриховкой условно показан расплавляемый металл):

а — внешний и б — внутренний источники.

Энергия w может быть выражена в джоулях, но удобнее использовать удельную энергию в дж/м2, определяемую в расчете на единицу площади соединения (рис. 2.4).

Обозначение удельной энергии на различных стадиях ее преобразования в схеме баланса принято следующим (рис.2. 3 и схема 2): Еу Сm—энергия, получаемая сварочной установкой от сети питания; эта энергия используется непосредственно на сварку есв и на вспомогательные операции евс. например, на вакуумирование; евх —энергия на входе трансформатора энергин ТЭ\ П\ — потери энергии в трансформаторе; е1иХ или ес,— энергия на выходе ТЭ, передаваемая источником инструменту, вводящему ее затем в зону сварки; Яг — потери при передаче энергии к изделию; еи — энергия, введенная в изделие; Яз — потери энергии на теплопроводность в изделие; ест — энергия, аккумулированная в зоне стыка.

ест — еи — (Яз + Я4), (2.1)

ПА — «потери уноса» (с испарившимся или выплавленным материалом).

Рисунок 2. 4 - Разбивка изделий на группы при определении удельных затрат на единицу рабочей площади для соединений: а — стыковых; б — нахлесточных; в — крестообразных.

Отдельные элементы в схеме передачи энергии в зависимости от вида процесса могут существенно изменяться и даже отсутствовать совсем. Например, носителем энергии — инструментом в термических процессах является луч, дуга или пламя, а при контактной сварке — сам металл в зоне контакта.

Каждая ступень передачи энергии от источника до изделия может иметь свой коэффициент полезного действия. Из теории распространения теплоты при сварке известны эффективный и термический к. п. д. процесса.

Кроме того, целесообразно ввести так называемый термодинамический к. п. д. процесса.

Этот к. п. д. по форме аналогичен к. п. д. процесса проплавлении например, при дуговой сварке листов, однако в данном случае он имеет более общий характер, так как показывает отношение минимальной удельной энергии Вст, необходимой в зоне сварки для выполнения данного соединения, к требуемой энергии источника на выходе трансформатора ТЭ. Удельная энергия е,.„, дж/м2 соответствует изменению энергосодержания dH зоны стыка, отнесенному к площади получаемого за счет этой энергии соединения.

Классификация процессов сварки. Выделяют три основных физических признака: наличие давления, форму вводимой энергии и вид инструмента носителя. Остальные признаки можно условно отнести к техническим, или технологическим (табл. 2.1). Признак классификации по наличию давления применим только к сварке и пайке. По виду вводимой в изделие энергии все сварочные процессы, включая сварку, пайку, резку и другие, можно разделить на термические, термомеханических (или точнее термопрессовые), механические (точнее прессово-механические) и особые (рис. 2.5, табл. 2.2, 2.3).

Таблица 2.1 - Признаки и ступени классификации процессов сварки

Рисунок 2.5 – Схемы основных процессов сварки