1.3. Источники энергии, используемые для сварки
Необходимым условием сварки, как было показано в предыдущем разделе, является активация соединяемых поверхностей, т.е. сообщение поверхностным атомам твердого тела некоторой энергии.
Такая энергия активации может быть сообщена в виде теплоты (термическая активация), упругопластической деформации (механическая активация), электронного облучения и других видов воздействия.
Все известные в настоящее время процессы сварки металлов осуществляются за счет введения только двух видов энергии - термической (Т) и механической (М) или их сочетания- термомеханической (ТМ). Теплоносители и источники названных видов энергии могут быть разнообразными. Так, термическая энергия может вводиться в свариваемое изделие электрической дугой, газовым пламенем, электронным, световым, лазерным и плазменным лучами, проходящим током и др.
Источниками механической энергии могут быть трущийся контакт, вибрирующий контакт, прессовомеханический контакт, ударный контакт и др. Указанные источники реализуются при использовании ультразвуковых колебаний, трения скольжения, давления, взрыва и др.
Отличительной чертой современных сварочных процессов является то, что в подавляющем большинстве они "термические" и обычно осуществляются при введении в зону сварки термической или термомеханической энергии. Если же вводится только механическая энергия, то вое равно в значительной мере она преобразуется в тепловую форму.
Вводимая энергия в свариваемый материал расходуется (преобразуется) на нагрев, деформацию соединяемых материалов, а также на развитие диффузионных процессов.
На рис.1.10 дается упрощенная структурная схема видов энергии используемых на сварку. Как видно из схемы для осуществления сварки могут быть использованы различные источники энергии, число которых вместе с их модификациями составляет несколько десятков.
Рис. 1.10. Виды энергии, используемые на сварку.
Несмотря на существенные различия физической природы источников и носителей энергии, используемых при сварке, в них можно найти общие закономерности и характеристики, позволяющие сравнивать их по единым признакам.
Важнейшими характеристиками источников сварочного нагрева являются: общая мощность, уровень концентрации мощности на единицу площади (пятна) нагрева и эффективный коэффициент полезного действия нагрева (КПД), представляющий собой отношение мощности, вводимой в свариваемое изделие, к общей мощности, отбираемой от источника энергии. Предельные характеристики некоторых источников нагрева приведены в табл. 1.1. Следует заметить, что все источники нагрева, приведенные в табл. 1.1 могут использоваться не только с целью соединения (сварки) частей в неразъемный монолит, но и наоборот, с целью разъединения (резки) целого изделия (заготовки) на части.
Из термических источников наибольшее распространение пока имеет электрическая дуга, ввиду простоты ее получения, поддержания и регулирования. Однако сравнительно невысокая предельная концентрация мощности в пятне нагрева снижает эффективность ее применения при сварке толстостенных конструкций.
Применение высококонцентрированных электронных пучков находит в настоящее время все большие области применения: для сварки химически активных и жаростойких, высокопрочных 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, из всех известных в настоящее время источников, концентрацией мощности. Лазерный луч применяется пока для сварки изделий сравнительно небольших толщин (до 15 мм). Серьезным недостатком этого источника является низкий КПД (до 15 %). Создание мощных и высокоэффективных лазерных источников нагрева позволит им в будущем занять более достойное место в сварочном производстве.
Т а б л и ц а 1.1