Термодинамика сварки и баланс энергии при сварке

Термодинамическое определение сварки

Анализ физико-химических особенностей получения сварных соединений позволяет установить наличие в зоне сварки двух основных физических явлений, связанных с необратимым изменением энергии и вещества (рисунок 1.4): введение и преобразование энергии; движение (превращение) вещества.

Рисунок 1.4 – Схема термодинамических превращений энергии

и вещества при сварке

Вид, интенсивность вводимой энергии и характер ее преобразования – вот главное, что определяет способ сварки. Введение энергии – всегда необходимое условие сварки, так как без этого невозможна активация соединяемых поверхностей; введение вещества необходимо только при некоторых видах сварки плавлением, причем энергия в этих случаях может быть введена также с расплавленным металлом.

Характер движения (переноса) вещества в зоне сварки сильно меняется от процесса к процессу. Движение значительно при сварке плавлением, особенно при наличии присадочного материала. При сварке давлением с нагревом металл в зоне стыка испытывает незначительные превращения и существенно только движение вещества через стык в результате диффузии. Холодная сварка реализуется практически без движения вещества, если не учитывать переползания дислокаций и выхода их на поверхность (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 – Схема получения монолитного соединения при

сварке

Исходя из сказанного, можно дать так называемое термодинамическое определение сварки: сварка – это процесс получения монолитного соединения материалов за счет термодинамического необратимого преобразования тепловой и механической энергии и вещества в месте соединения.

Кроме термодинамического, возможны и другие определения сварки. Например, согласно ГОСТ 2601-84: сварка – это процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном нагреве или пластическом деформировании либо при совместном действии того и другого.

Энергия и пути ее преобразования являются доминирующими факторами, которые определяют сварку как физико-химическое явление.

Рассмотрение термодинамической структуры сварочных процессов позволяет подразделить их по виду введенной энергии на термические, термомеханические и механические процессы.

На основании первого закона термодинамики можно подсчитать изменение внутренней энергии системы соединяемых элементов, теоретически необходимое для образования монолитного соединения при данных конкретных условиях, в которые входят источник энергии, материал изделий, конструкция соединения и т. д.

Типовой баланс энергии при сварке

Для количественной оценки процессов передачи и термодинамического преобразования энергии при разных видах сварки необходимо определить обобщенную схему баланса энергии. В нее входят следующие основные ступени передачи энергии (рисунок 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).

Рисунок 1.6 – Обобщенная схема баланса энергии сварочного

Процесса

а) стыковых соединений

б) нахлесточных соединений

в) крестообразных соединений

Рисунок 1.7 – Схема выбора рабочей площади S для расчета удельной

энергии сварки

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

Обозначения удельной энергии на различных стадиях преобразования в схеме баланса энергии (рисунок 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;

П₃ – потери энергии в изделии теплопроводностью;

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

ε_ст – энергия, аккумулированная в зоне стыка: ε_ст = ε_и – (П₃ + 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 изменятся 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:

η_и = ε_и/ε_св; η_t = ε_ст/ε_и.

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.

Физический КПД процесса соединения металлов: η_ф = ε_р/ε_и.