Расчет энергоемкости процессов сварки

Оценка энергетической эффективности процесса сварки

При выборе источника энергии для сварки конкретных изделий следует учитывать техническую возможность применения данного источника, эффективность процесса (энергетичность и экономичность), а также качество и надежность получаемых изделий. Концентрация энергии термических источников может оцениваться удельной мощностью в пятне нагрева. Наибольшую интенсивность энергии до 10⁸ Вт/мм² и выше при пятне нагрева до 10^-6мм² могут иметь лазерные и электронные лучи (табл.1).

Однако, сварка возможна только при плотности 10²-10⁴ Вт/мм², так как большие удельные мощности приводят к выплескам и испарению металла, полезному лишь при резке и размеренной обработке материала. Вольная мощность луча и энергетические коэффициенты наплавки, расплавления и др. (см гл.3) пригодны для оценки только главных отделочных видов источников энергии и видов сварки. Для оценки эффективности разных классов сварочных процессов и пайки целесообразно использовать значение удельной энергии e_св и e_и, необходимой при сварке донного соединения.

Таблица 15

Энергетические характеристики термических источников энергии для сварки и резки

Источник энергии	Температура пламени или дуги, К	минимальная площадь пятна нагрева, см^2	максимальная плотность энергии в пятне нагрева Вт/см^2
Газовое пламя	3000-3500		5^.10^2
Топливное –плазменное пламя	4000-5000		5^.10^2
Дуга в парах: щелочных металлов железа	4500-5000 5000-6000		1^.10^4
Дуга в газах H, N Ar, He	5000-8000 10000-20000	1^.10^-1	1^.10^3
Микроплазменная дуга	-	1^.10^-4	1^.10^6
Электрон. луч	-	1^.10^-5	1^.10^7
Лазер. Луч	-	1^.10^-6	1^.10^8

Расчеты показали, что для многих видов соединений и материалов механические и термомеханические процессы сварки требуют значительно меньше энергии, чем сварка плавлением. Например, при сварке встык стальных стержней диаметром 20 мм дуговым ванных способом, необходимо e_св»400 дж/мм², при сварке трением e_св»130Дж/мм².

Расчет значений e_св для разных методов сварки плавлением коррозионно-стойкой стали типа 18-10 показал, что с увеличением толщины изделия удельная сварочная энергия резко растет при использовании многопроходной сварки. Например, арганно-дуговая сварка вольфрамовым электродом обеспечивает получение стыкового сварного соединения для листов толщиной 15мм при общих затратах энергии на все проходы до 1000 Дж/мм².

Сравнение критериев e_и и e₀ для однопроходной сварки стали показали, что e_и с уменьшением интенсивности источника возрастает примерно от 3-5 Дж/мм² для лазерной сварки до 200-400 Дж/мм², для газового пламени. В то же время общие затраты энергии e₀, в которых учитываются вакууммирование для электронного луча и КПД лазера ~0,1%, в сотни тысяч раз выше для этих источников, чем для свободной дуги в Ar или же газовом пламени.

Условная диаграмма удельных энергий, необходимых для сварки встык стальных листов толщиной 20мм с применением разных процессов.

Дата добавления: 2014-01-06