СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

Сварка плавлением — это сварка, осуществляемая местным сплавлением соединяемых частей без приложения давления. В соответствии с типом источника энергии, непосредственно используемым для образования сварного соединения, к сварке плавлением относятся следующие виды сварки*: дуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, плазменно-лучевая, ионно-лучевая, тлеющим разрядом, световая, индукционная, газовая, термитная и литейная. Основным признаком, по которому они различаются и который определяет их основные технологические возможности, является источник теплоты, которым в процессе сварки осуществляется воздействие на металл в зоне формирования сварного соединения.

ИСТОЧНИКИ ТЕПЛОТЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ

Для осуществления современных процессов сварки плавлением наиболее широко в качестве источников теплоты используются электрическая дуга, плазма (сжатая электрическая дуга), электрошлаковая ванна, электронный луч, лазер и газовое пламя.

Несмотря на существенные различия физической природы источников теплоты, используемых при сварке, в них можно найти и общие черты, характеризующие их

ТОСТ 19521-74 «Сварка металлов. Классификация».

энергетические возможности и позволяющие сравнивать их по единым параметрам. К важнейшим параметрам сварочных источников теплоты относятся:

  • ? общая мощность;
  • ? уровень концентрации мощности на единицу площади (пятна)нагрева;
  • ? максимальная температура в пятне нагрева;
  • ? эффективный коэффициент полезного действия источника нагрева (КПД), представляющий собой отношение мощности, вводимой в свариваемое изделие, к общей мощности, отбираемой от источника 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 соединения; энергетическую и экономическую эффективность сварочного процесса.

Источники теплоты различных способов сварки характеризуются рядом особенностей, которые определяют эффективность их применения в процессах сварки.

Таблица 1.1

Энергетические характеристики некоторых источников сварочного нагрева

Источники

нагрева

Мощность,

Вт

Удельный тепловой поток, Вт/см2

Наименьшая площадь нагрева, м2

Максимальная температура, К

Эффективный кпд

Сварочная дуга

2-105

4-10'

110-'

5000...6000

0,75

Электродуговая плазменная струя

1-10>

1-10>

110 й

10 000...30 000

0,80

Газовое пламя

110'

6-10"

1-10-2

3000...3500

0,55

Электронный луч

1-10>

МО7

1-ю-7

0,85

Луч лазера

2,5-10'

1-1010

по-8

0,05

Фотонный луч

1-10»

1-10-8

Солнечные

нагреватели

1-10'

2-10*

0,07

Рис. 4.1

Распределение теплоты q в пятне нагрева при различных способах сварки плавлением: а — газовой; 6 — дугой косвенного действия; в — плавящимся электродом дугой прямого действия; г — электронным лучом; д — лазером.

Общая мощность сварочных источников теплоты. Максимальная мощность источника теплоты (табл. 4.1) практически достигнута при электрошлаковом (-250 кВт) и электродуговом (-200 кВт) способах сварки. Хорошим диапазоном мощностей (примерно от 1 Вт до 100 кВт) характеризуются электронно-лучевые сварочные установки. Несколько меньшая максимальная мощность (-25 кВт) тока достигается в установке для сварки лазером. Максимальная мощность практически применяемого газосварочного пламени ограничивается -10 кВт.

Концентрации теплоты в сварочных источниках нагрева. Источники теплоты (табл. 4.1) в различных способах сварки значительно различаются по степени локализации вводимой теплоты <2 в свариваемое изделие (пятно нагрева), т. е. характер распределения теплового потока Ф = с1()/сИ в пятне нагрева зависит от используемого сварочного источника теплоты.

Максимальная локализация ввода теплоты может быть достигнута при нагреве свариваемого изделия лазером (рис. 4.1д) и электронным лучом (рис. 4.1г). Дуга (рис. 4.1в) при сварке плавящимся электродом (особенно под флюсом) является также весьма высоколокализован- ным источником теплоты. Несколько меньшая локализация ввода теплоты характерна для нагрева дугой косвенного действия (см. рис. 4.16). Наименее концентрированно вводится теплота в свариваемое изделие газосварочным пламенем (рис. 4.1а). Ввод теплоты осуществляется на большой площади (слаболокализованно) и при электро- шлаковой сварке.

Концентрацию теплоты в сварочных источниках нагрева количественно характеризуют обычно удельным тепловым потоком йФ/йБ в пятне нагрева площадью 5 (Вт/см2). Так, наибольшую удельную мощность в пятне нагрева имеют лучевые источники (электронный, лазерный и фотонный), для которых <7тах может достигать 1Ю10 Вт/см2.

Максимальная температура в пятне нагрева. Температура в пятне нагрева в первую очередь определяется двумя факторами (см. табл. 4.1): мощностью источника теплоты в пятне нагрева и площадью этого пятна, т. е. удельным тепловым потоком в пятне нагрева. В связи с этим наибольшая температура в пятне нагрева достигается при использовании лучевых источников теплоты, так как в них технически проще всего сфокусировать тепловой поток.

При лазерной, световой и электронно-лучевой сварке температура в пятне нагрева может намного превышать значения, допускаемые технологией сварки, поэтому плотность теплового потока <7„шх в пятне нагрева при этих способах сварки не должна превышать -1107 Вт/см2. При более высокой плотности теплового потока в пятне нагрева сварка невозможна, из-за того что температура возрастает до значений, при которых металл испаряется чрезвычайно быстро. При дтах > 110" Вт/см2 осуществляют резку, перфорацию и размерную обработку (лучевое фрезерование) изделий.

Эффективность источников нагрева и процессов сварки. В настоящее время не существует технических средств, в том числе сварочных источников теплоты, и процессов сварки, которые позволяли бы преобразовывать или передавать энергию без потерь. Поэтому для оценки энергетической эффективности таких технических средств используют различные коэффициенты полезного действия, представляющие собой отношение энергии после преобразования или передачи к изначальной энергии. Эффективность процессов сварки оценивают обычно такими показателями, как эффективный и термический КПД, удельные затраты энергии на 1 м2 площади сварного соединения, 1 м длины шва или 1 кг наплавленного металла и др.

В технологии производства сварных конструкций практически всегда можно выполнить одно и то же соединение разными методами сварки. Поэтому при оценке и сравнении эффективности разных источников нагрева и процессов сварки целесообразно применять их удельные показатели, отнесенные к единице площади сварного соединения.

Эффективный коэффициент полезного действия процесса сварки г|э представляет собой отношение удельной энергии еизд, вводимой в свариваемое изделие, к удельной энергии енст, отбираемой у ее источника, на одном квадратном метре сварного соединения:

Термический коэффициент полезного действия процесса сварки г|т представляет собой отношение удельной энергии, затраченной на формирование сварного соединения есв (например, при сварке плавлением есв — это энергия, затраченная на расплавление металла), к удельной энергии еизд, вводимой в свариваемое изделие, на одном квадратном метре сварного соединения:

Кроме того, при решении некоторых технологических задач целесообразно использовать термодинамический коэффициент полезного действия процесса сварки г|тд, который представляет собой отношение удельной энергии есв, необходимой для формирования сварного соединения в зоне сварки, к требуемой удельной энергии еист, отбираемой у ее источника:

По эффективности ввода теплоты в свариваемое изделие наиболее высоким значением КПД характеризуются электронный луч, сварочная дуга, а при большой толщине металла — электрошлаковый сварочный источник теплоты. Значительно менее эффективно использование лазера и газосварочного пламени.

Из термических источников пока наиболее распространена электрическая дуга ввиду простоты ее получения, поддержания и регулирования. Однако сравнительно невысокая предельная концентрация мощности в пятне нагрева снижает эффективность использования дуги при сварке толстостенных конструкций.

Высококонцентрированные электронные пучки находят в настоящее время все большее применение: для сварки химически активных и жаростойких, высокопрочных сталей сплавов, для сварки в условиях космического пространства и т. п.

Плазменная струя и газовое пламя широко используются для разделительной резки, напыления на поверхность изделия слоя со специальными свойствами и в других областях.

Перспективным источником сварочного нагрева является лазерный луч, обладающий наивысшей концентрацией мощности среди всех известных источников. Лазерный луч применяется пока для сварки изделий сравнительно небольшой толщины (до 15 мм). Серьезным недостатком этого источника является низкий КПД (до 15%). Мощные и высокоэффективные лазерные источники нагрева займут со временем достойное место в сварочном производстве.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >