Типовой баланс энергии при сварке

Для количественной оценки процессов передачи и термоди­намического преобразования энергии при разных видах сварки необходимо наметить обобщенную схему баланса энергии. В нее входят следующие основные ступени передачи энергии (рис. 1.6): сеть питания; источник энергии для сварки или преобразователь энергии ПЭ; носитель энергии - инструмент, передающий энергию от источника энергии к зоне сварки (резки или напыления); изде­лие - зона сварки (стык соединяемых деталей).

При изучении преобразования энергии в сварочных процессах Удобно использовать удельную энергию ε, определяемую в расчете на единицу площади сварного соединения S (рис. 1.7).

Обозначения удельной энергии на различных стадиях преобра­зования в схеме баланса энергии (см. рис. 1.6) приняты следую­щие:

ε_вх - энергия, получаемая сварочной установкой от сети пита­ния; она может использоваться непосредственно на сварку (ε_св) и вспомогательные операции (ε_всп);

П₁ - потери энергии в сварочном источнике, с их учетом энер­гия ε_св составит: ε_св = ε_вх — П₁;

П₂ - потери в инструменте при передаче энергии изделию; ε_и -

энергия, введенная в изделие: ε_и = ε_св ^_ П₂;

Пз - потери энергии в изделии на теплопроводность;

П₄ - потери уноса (с испарившимся или выплавленным ма­териалом);

ε_ст - энергия, аккумулированная в зоне стыка: ε_ст = ε_и - (Пз + П₄).

Потери уноса характерны главным образом для резки, но могут возникать и при высокоинтенсивных процессах лучевой сварки.

Отдельные ступени передачи энергии в схеме ее баланса в за­висимости от вида сварочного процесса могут существенно изме­няться и даже отсутствовать совсем. Например, носитель энергии (инструмент) в термических процессах - это луч, дуга или пламя, а при контактной сварке - сам нагретый металл в зоне контакта.

КПД сварочных процессов

Каждая ступень передачи энергии от источника к изделию мо­жет иметь свой коэффициент полезного действия (КПД). Из тео­рии распространения теплоты при сварке известны эффективный (η_и) и термический (η_t) КПД сварочного процесса, которые приня­то выражать так:

Кроме того, по мере накопления данных по анализу энергети­ческого баланса для всех сварочных процессов в дальнейшем це­лесообразно ввести термодинамический КПД сварочного процесса η_{тд =} ε_ст / ε_{св =} η_и η_t, который по форме аналогичен КПД процесса проплавления (например, при дуговой сварке листов), однако име­ет более общий характер. Термодинамический КПД сварочного процесса показывает отношение минимальной удельной энергии ε_ст, необходимой в зоне сварки для выполнения данного соеди­нения, к требуемой энергии сварочного источника, передаваемой инструменту. Удельная энергия ε_ст соответствует в данном случае изменению энергосодержания зоны стыка, отнесенному к площади получаемого сварного соединения.

Представляет интерес сравнение введенной в изделие удельной энергии ε_и и удельной энергии ε_р, необходимой для разрушения полученного сварного соединения. Их отношение будет прибли­женно характеризовать некоторый физический КПД процесса со­единения материалов: η_ф = ε_р /ε_и.

В связи с изложенным целесообразно сравнивать по вводимой энергии все существующие сварочные процессы. Этот критерий поможет выявить общие физические закономерности, связываю­щие их между собой.

Классификация сварочных процессов