Источники тепла при сварке. Схематизация источников тепла и нагреваемых тел, применяемая для расчета температур при сварке.

Источники тепла при сварке. В большинстве случаев тепло получают вблизи соединения или в самом соединении из других видов энергии. Классифицируем способы сварки по видам энергии и месту её преобразования в тепловую.

Место преобразования в тепловую	Виды преобразуемой энергии
Химическая	Механическая	Излучение	Электрическая
Вблизи соединения	1, 2, 3	¾	¾	4, 5
В самом соединении	¾		7, 8	9, 10, 11, 12

1 – газопламенная сварка; 2 – кузнечная сварка; 3 – термитная сварка; 4 – электродуговая сварка; 5 – пайка твёрдым нагретым телом; 6 – сварка трением; 7 – сварка световым лучом (лазером); 8 – сварка сфокусированным световым лучом (лампа солнце); 9 – электронно-лучевая сварка; 10 – электрошлаковая сварка; 11 – контактная сварка; 12 – высокочастотная сварка.

Химическая энергия как сварочный источник тепла.

Горение газов. Газопламенная сварка.

Горение – реакция окисления, как правило экзотермическая.

Ацетилен, пропан, бутан, природный газ, пары керосина. Эти вещества смешивают с кислородом и зажигают, идёт химическая реакция типа:

А + О₂ ® С + D + Q

Q – тепло плавит свариваемые кромки и присадочный материал.

Горение Ме в кислороде.

Применяется для резки и сварки металлов и неметаллов.

Газопламенная резка Ме.

Разрезаемый Ме нагревают газовым пламенем до температуры воспламенения, подают струю режущего кислорода, Ме сгорает, выделяя дополнительное тепло Q`.

Ме + О₂ ® А + В + Q`

Резка кислородным копьём.

Тепло выделяется за счёт реакции горения железа в кислороде. Конец стальной трубы нагревают до воспламенения и подают кислород. По мере сгорания трубу подают в сторону разрезаемой заготовки.

Реакции между металлом и окислом другого металла.

На этой реакции основана термитная сварка. Подбирают смесь из порошков окисла Ме и другого чистого Ме (Fe₃O₄ + Al = термит). Второй металл более активен с О₂. Смесь подогревают до температуры 750°С (зажигают). Идёт реакция окисления более активного Ме, из окисла восстанавливается менее активный Ме. При этом выделяется тепло, которого достаточно для расплавления свариваемого материала.

3 Fe₃O₄ + 8 Al ® 9 Fe + 4 Al₂O₃ + Q²

Q – тепло плавит свариваемые кромки и присадочный материал.

Превращение механической энергии в тепловую.

Количество тепла, выделяемое при переходе механической энергии в тепловую зависит от силы, с которой прижимают детали, от скорости перемещения и от времени взаимодействия поверхностей.

Q = F×V×t

Энергия излучения как источник тепла при сварке.

При облучении поверхности тела светом энергия квантов передаётся при торможении частицам поверхности. Температура поверхности возрастает. Если световую энергию сконцентрировать на малом участке поверхности, то можно нагреть до температуры плавления.

Пример: Световая сварка сфокусированным лучом солнца (мощной лампы).

Электрическая энергия как сварочный источник тепла.

Электронный луч.

При облучении поверхности потоком электронов их кинетическая энергия переходит в тепло, на этом основан процесс электронно-лучевой сварки, 1950 г. (ФРГ).

1 – источник ускоряющего напряжения;

2 – источник питания катода;

3 – катод;

4 – анод;

5 – фокусирующие катушки;

6 – электронный луч;

7 – изделие;

8 – вакуумная камера;

9 – потенциометр фокусировки луча.

Катод, анод и фокусирующие катушки составляют электронную пушку.

Мощность луча определяется ускоряющим напряжением (U_уск = 10⁵…10⁶ В) и током луча (I_луча = 50…500 мА). Количество электронов в луче 10¹⁷ – 10¹⁸ на см², V» 200000 км/с. Высокая плотность энергии ведёт к интенсивному испарению Ме, реактивные силы паров раздвигают жидкий Ме, луч проникает внутрь.

КПД = 75…90%

Энергия теряется на аноде, затрачивается на испарения, а также на вторичную и термоэлектронную эмиссию. При температуре больше 4000°К сварка невозможна из-за испарения.

Достоинства: Можно варить несколько недоступных швов за один проход. Высокая концентрация энергии позволяет получать узкие швы с соотношением высота/ширина = 15 (для дуговой сварки £ 1).

Недостатки: Дороговизна оборудования. Необходимость вакуума. Необходимость высокой квалификации операторов.