Оценка энергоемкости сварочных процессов не всегда встречает на практике нужное понимание. Иногда указывают на низкую стоимость электроэнергии и на сравнительно малую ее долю в общих затратах на сварку. Однако такой взгляд неверен. Необходимо иметь в виду, что только на плавление электродного металла по всей стране расходуется в год более 2-10 кВт-ч электроэнергии, а если учесть затраты энергии на контактную, диффузионную, электронно-лучевую и другие способы сварки и резки, то общий расход электроэнергии на сварку составит по стране более 10 кВт-ч в год. Сокращение этих расходов только на 10% даст экономию 1-108 кВт-ч в год.

Сравнение эффективности Т-, ТП- и ПМ-процес-сов сварки показывает, что для многих видов соединений и материалов механические и термомеханические процессы сварки требуют значительно меньше энергии, чем сварка плавлением. Например, для сварки встык стальных стержней диаметром 20 мм при дуговом ванном способе необходимо е = 1800 Дж/мм,

1000

в I проход

зле Дуговая Газовая

Т-процессы

Э не р г и я с ил д о йле н и я

Контакт- Термо-ная прессоВая

ТМ-процессы

Вакуум- Холодная Трением ным cxSa-глыданиЕМ

ПМ-процессы

Рис. 9. Удельная энергия 8 , требуемая для выполнения однотипных стыковых соединений с применением разных процессов

при контактной стыковой сварке оплавлением 400 Дж/мм, при сварке трением ISO Дж/мм. Для сварки встык пластин из алюминиевого сплава толщиной 5 мм требуется: при аргонодуговой сварке Есв = 300 Дж/мм, при контактной сварке -200 Дж/мм, при холодной сварке 30 Дж/мм.

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. 9) по вертикальной оси в логарифмическом масштабе отложены приблизительные значения е , а по горизонтальной оси указаны возможные процессы применительно к сварке встык стальных листов толщиной до 20 мм или стержней диаметром до 20 мм. -

Судить об эффективности процесса сварки следует с учетом используемого оборудования. Например, контактную точечную сварку пересекающихся стержней можно вести на машине МТП-75. При этом для стержней 0 6 + 6 мм затраты Есв 500 Дж/мм, что в 10 раз больше, чем Есв для соединения стержней 0 3+3. Такой рост Есв связан с высокими потерями из-за индуктивного сопротивления во вторичном контуре машины. Сварка тех же стерлшей выпрямленным током

позволила ограничить затраты ев = 50 100 Дж/мм. На этом примере целесообразно показать также изменение термодинамического КПД. Минимально необходимую энергию Ест, требуемую для соединения стержней, определим исходя из энергосодержания ДЯ зоны сварки. Принимаем объем V нагретого металла равным объему двух цилиндров длиной каждый по одному диаметру. Средняя температура нагрева Т 1000° С, удельная объемная теплоемкость для стали

су = 1,2 кал/(смЗ.°С). Тогда ДЯ = Кс7ДГ = 2 О,5йсу1О0О = О,Ы000 =

= 120 кал 500 Дж; = ДЯ/5 = s 40 Дж/мм. Из опыта значение Есв = = 50 Дж/мм. Тогда

Лтд - 6ст/8св - gQ -

В ТО же время для сварки стержней 0 6 + 6 на МТП-75 получаем ~ 0,1, Следует отметить, что величины удельных энергий е, Дж/м показывают не только удельную энергоемкость процесса сварки единицы площади стыка. Например, е характеризует также количество переплавленного или разогретого материала на единицу площади шва, а следовательно, величину активной зоны сварного соединения, в которой произошли существенные изменения в состоянии материала, деформацию соединения и т. д. Такие сведения весьма важны, поэтому

целесообразно в ряде случаев применять показатель удельной энергии (Дж/м

как более информативный, чем показатель погонной энергии qlv, измеряемый Дж/м). Использование при анализе разных методов сварки показателей удельной энергии е Дж/м стимулирует выбор перспективных в отношении энергоемкости процессов и источников энергии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бэр Г. Д. Техническая термодинамика. Пер. с нем. М., Мир , 1977. 360 с.

2. Волченко В. Н. О классификации процессов сварки.- Автоматическая сварка . 1970,

№ 10.

3. Волченко В. Н. Источники энергии сварочных процессов. М., Машиностроение , 1971. 76 с.

4. Китайгородский А. И. Введение в физику. М., Физматгиз , 1959. 560 с.

5. Теоретические основы сварки. Под ред. В. В. Фролова. Учебное пособие.для вузов. М., Высшая школа , 1970. 592 с. Авт.: В. В. Фролов, В. А. Винокуров, В. Н. Волченко.

Глава 2

РАСЧЕТЫ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СВАРКЕ

Сварочные процессы в металле в большинстве случаев протекают при быстром изменении температуры в пределах от температуры окружающего воздуха до температуры испарения металла. В этом весьма широком температурном промежутке развиваются разнообразные физические и химические процессы - плавление основного и присадочного металлов, металлургические реакции в жидкой ванне, кристаллизация расплавленного металла, структурные и объемные изменения в металле шва и основном металле, процессы местного пластического деформирования. Для управления сварочными процессами необходимо знать, как влияют на них все определяющие параметры, в том числе изменение температуры металла во времени.

Процессы нагревания и охлаждения металла при сварке и местной термической обработке определяются воздействием высококонцентрированных источников теплоты и условиями отвода теплоты от областей действия источников. Электрическая дуга, плазменная струя, газовое пламя, электронный луч, сфокусированное световое излучение, луч лазера, электрический ток, вводимый через контактный участок поверхности изделия, и трение на контактном участке являются местными источниками; выделяемая ими теплота весьма неравномерно распределена по поверхности или объему металла. Источники теплоты, применяемые для сварки, характеризуются эффективной тепловой мощностью, распределением выделяемой теплоты по поверхности или объему изделия и изменением этого распределения во времени.

НАГРЕВ МЕТАЛЛА СВАРОЧНОЙ ДУГОЙ

Тепловые характеристики сварочной дуги. Полную тепловую мощность дуги приближенно считают равной тепловому эквиваленту ее электрической мощности (0,24 (У/, кал/с, где U - падение напряжения на дуге, В; / - сила тока. А).

Эффективная тепловая мощность дуги q есть количество теплоты, введенное за единицу времени в металл изделия и затраченное на его нагрев.

<7 = 0,24т1 ;/;

здесь Т1 - эффективный КПД процесса нагрева, представляющий отношение количества теплоты, введенное дугой в изделие, к тепловому эквиваленту электрической мощности дуги. Он характеризует эффективность процесса выделения теплоты и теплообмена в дуговом промежутке и зависит от технологических условий сварки.

Экспериментальные данные показывают, что ц изменяется в следующих пределах: 0,70-0,85 - при сварке открытой дугой металлическими электродами; 0,90-0,99 - при сварке под флюсом; 0,50-0,75 при сварке угольными электродами в диапазоне мощностей 300-12 ООО кал/с. Он уменьшается с удлинением дуги и возрастает с углублением дуги в ванну. При металлических электродах г) в малой степени зависит от полярности и величины сварочного тока.

Тепловой поток сварочной дуги наиболее интенсивен в центральной части пятна нагрева, где происходит выделение теплоты в поверхностных слоях металла

вследствие электронной и ионной бомбардировки. В области, прилегающей к электрически активному пятну нагрева, металл нагревается преимущественно

за счет лучистого теплообмена со столбом дуги и конвективного теплообмена с горячими газами факела дуги. По мере удаления от центра пятна

1В00

72, каЩмЩ 1Б 8 asm

/\200

16 8 о в ШгммШ 8 о 8 16пмм1Б 8 0 8 1Вг,мм 95 Ш,

г, мм

Рис. 1. Схема сварочной ду- Рис. 2. Влияние тока и напряжения откры-

ги как источника теплоты: той угольной дуги на распределение удель-

а - столб и пламя дуги; 6 - го теплового потока 9а [кал/(см2 с)] по пятну

схема распределения теплового нагрева потока дуги (нормально-круговой источник)

интенсивность теплового потока убывает. Распределение удельного теплового потока (кал/смС) по радиусу пятна нагрева приближенно описывают нормальным законом распределения

Металлическая дуга под флюсом

вероятности Гаусса (рис. 1):

Й2 {r) = q.

2 max

.кал1

где qgmax - наибольший удельный тепловой поток в центре пятна нагрева; k - коэффициент сосредоточенности удельного потока дуги, см~; г - расстояние от оси источника, см.

С повышением тока при постоянном напряжении дуги jmax увеличивается. С повышением на-пряления, т. е. с удлинением дуги, при неизменном токе (/gmax Уменьшается и распределение удельного теплового потока становится менее сосредоточенным (рис. 2). Тепловой поток электрической дуги под флюсом значительно более сосредоточен, чем тепловой поток открытой угольной или металлической дуги (рис. 3).

5820

Угольная Металлическая

открытая дуга открытая дуга

дгКал/Ссмс) д2,кал/(смс)

2000-. I ,2flP0-n

1000

6000

4000

2000

16 8 О 8у,мм1В 8 О 8у,ММ8 О 8у,ММ

1=дООА 1=1100А 1=ША

U36B и-37,5В У7В а) 6) 6)

Рис. 3. Распределение удельного теплового потока [кал/(смС)] по пятну нагрева:

а - открытой угольной дуги; б - открытой металлической дуги; в - металлической дуги под флюсом

Процессы распространения теплоты. Теплота местного источника, сосредоточенного на небольшом участке поверхности или в малом объеме изделия, сравнительно быстро нагревает металл до высокой температуры. Вследствие теплопроводности металла и теплообмена на поверхности теплота отводится от области приложения источника; местный нагрев до заданной температуры замедляется и снижается его эффективность.

Располагая характеристиками источников теплоты, можно рассчитать процесс распространения ее в металле. Из принципа местного влияния теории теплопроводности следует, что характер распределения теплоты местного источника оказывает существенное влияние на температурное поле только в области, близкой к источнику. Поэтому температурные поля в изделии в области, удаленной от дуги, можно описывать с достаточной точностью, схематизируя характер распределения теплового потока дуги. Наиболее просто считать, что теплота источника сосредоточена в элементарном объеме: в точке, по отрезку прямой или по участку плоскости в соответствии с формой теплопроводящего тела. При более точных расчетах температуры в области, близкой к дуге, следует учитывать распределение потока дуги, описываемое нормальным законом (2).

Коэффициенты теплофизических свойств металла изделия, осредненные в расчетном интервале температур, обозначены: X - коэффициент теплопроводности,

кал/(см-с-°С); су - объемная теплоемкость, кал/(см°С); а =--коэффициент

температуропроводности, см/с.

Поверхностный теплообмен изделия с окружающим воздухом характеризуется коэффициентом теплообмена а, кал/(смС С).

Процесс распространения теплоты при сварке можно разделить на три стадии:

теплонасыщение, когда температуры в поле, перемещающемся вместе с источником теплоты, продолжают нарастать;

предельное квазистационарное состояние, когда подвижное поле практически устанавливается;

выравнивание температуры по окончании сварки.

Наплавка дугой валика на массивное изделие описывается схемой точечного источника теплоты q, кал/с постоянной мощности, равномерно и прямолинейно перемещающегося по поверхности полубесконечного тела со скоростью v, см/с (рис. 4). Температура предельного состояния процесса, отнесенная к подвижным координатам XYZ, связанным с источником О, выражается соотношением

где i?2 x2 + г/2 +

Изотермические поверхности вращения вокруг оси перемещения значительно сгущены впереди источника и разрежены в области, пройденной источником. С приближением к точечному источнику расчетная температура неограниченно возрастает.

Дуговая сварка листов встык (однопроходная) описывается схемой перемещения линейного источника теплоты по бесконечной пластине с теплоотдачей на поверхности и с полным выравниванием температуры по толщине б, см. Температура предельного состояния процесса, отнесенная к подвижным координатам, выражается соотношением

где у2= I + (2 § ~ критерий влияния теплоотдачи; = ip-; Ко (и) функция Бесселя от мнимого аргумента второго рода нулевого порядка.

Теплота в листе менее сконцентрирована у дуги по сравнению с теплотой в массивном теле (рис. 5).

Температуру Т (t) данной точки подвижного поля в процессе теплонасы-щения можно представить как произведение температуры Т (оо) той же точки

-5-4 -2

-5-4 -2

1000

1000

Рис. 4. Пространственное температурное поле предельного состояния при дуговой наплавке валика на массивное стальное изделие: q= 1000 кал/с; v = = 0,1 см/с. Сплошные линии - изотермы; штриховая линия - кривая максимальных температур:

а - распределение температуры на поверхности KOY по прямым, параллельным оси ОХ; 6 - распределение температуры в плоскости YOX; виг - изотермы в плоскостях XOY и YOZ

В предельном состоянии на коэффициент теплонасыщения (/). зависящий от времени (рис. 6):

T{t)=yif)T (оо). (5)

Процесс выравнивания температуры после прекращения в момент to действия источника теплоты постоянной мощности q получается наложением двух процессов: процесса теплонасыщения Т (t) продолжающего действовать источника и процесса теплонасыщения Т [t - to) равного ему стока теплоты q, начавшего действовать в момент когда действие реального источника прекратилось:

Tit)\,,=T{t)-T{t-to). (6)