Energia elektryczna jest głównym źródłem energii stosowanej w spawalnictwie. Jednak tylko energia cieplna o wysokiej koncentracji strumienia jest użyteczna w procesach spawalniczych. W rezultacie konieczne jest przetworzenie energii elektrycznej na ciepło o odpowiednich warunkach.
W procesach spawalniczych skoncentrowany strumień energii cieplnej wykorzystywany jest do miejscowego topnienia metalu w celu jego przeciięcia lub połączenia. Temperatura i koncentracja strumienia ciepła zależą od ilości przetworzonej energii i metody przetwarzania energii elektrycznej na ciepło. Wraz ze wzrostem zdolności spawalnictwa do łączenia nierozłącznego i przecinania materiałów trudno topliwych i trudno spawalnych, powstały również nowe metody przetwarzania energii elektrycznej na cieplną, które generują strumień ciepła o dużej gęstości przy małym przekroju poprzecznym.
Zastosowanie ogniska kuziennego jako źródła ciepła, wykorzystanie płomienia gazowego, łuk elektryczny, strumienie plazmy niskotemperaturowej, wiązki elektronowej i wreszcie promienie laserowe były kolejnymi etapami rozwoju spawalnictwa.
Źródłami ciepła uzyskiwanych z przetworzenia energii elektrycznej, które są obecnie wykorzystywane w spawalnictwie, są:
- skoncentrowany strumień światła,
- pole elektromagnetyczne o zwiększonej i wielkiej częstotliwości,
- nagrzewające łączone materiały w wyniku wytwarzania prądów induk#cyjnych,
- rezystancja łączonych metali, na której jest wydzielane ciepło,
- łuk elektryczny,
- strumień elektronowy,
- strumień plazmy niskotemperaturowej,
- promień laserowy,
- tarcie mechaniczne
Nagrzewanie skoncentrowanym światłem
Absorpcja skoncentrowanego strumienia świetlnego na powierzchni nagrzewanego przedmiotu powoduje przemianę energii świetlnej w energię cieplną. Gęstość strumienia ciepła, które wchłania nagrzewany przedmiot, zależy od:
- mocy źródła światła , którym jest zwykle lampa halogenowo-kwarcowa lub ksenonowo-łukowa o mocy 150 5 kW,
- koncentracji strumienia świetlnego za pomocą lustra, najczęściej eliptycznego, gdzie w jednym ognisku jest umieszczone źródło światła, a w drugim nagrzewany przedmiot
- współczynnika absorpcji, którego wartość zmienia się w czasie procesu nagrzewania i zależy od materiału, długości fali światła, temperatury, stanu powierzchni nagrzewanego przedmiotu oraz stanu skupienia materii nagrzewanego przedmiotu.
Temperatura około 3300 K i gęstość strumienia ciepła 104 kW/m2 odpowiadają parametrom płomienia acetylenowo-tlenowego, gdy porównuje się źródła światła jako źródła energii z innymi konwencjonalnymi źródłami ciepła stosowanymi w spawalnictwie. Jednak urządzenie wykorzystujące promieniowanie świetlne nie jest tak skuteczne jak urządzenie płomieniowe. Nagrzewanie za pomocą skoncentrowanego strumienia światła jest stosowane do zmechanizowanego lutowania, klejenia miejscowej obróbki cieplnej, a także do łączenia tworzyw termoplastycznych.
Nagrzewanie indukcyjne
Indukcja prądów wirowych w nagrzewanym metalu zmienia energię pola elektromagnetycznego o średniej i wielkiej częstotliwości. Indukcyjne źródło energii składa się z generatora o średniej lub wysokiej częstotliwości oraz induktora o kształcie zależnym od wymiarów i kształtu nagrzewanego przedmiotu. Uzyskiwany strumień ciepła jest głównie rozproszony, a jego koncentracja zależy od kształtu wzbudnika.
Zjawisko naskórkowości ogranicza głębokość nagrzewania i ilość uzyskanego ciepła podczas przekształcania energii pola elektromagnetycznego w energię cieplną. Wraz ze wzrostem częstotliwości prądu elektrycznego ilość tego ciepła maleje. Z tego powodu w technice spawalniczej wysokie częstotliwości są stosowane do nagrzewania cienkościennych elementów o prostych kształtach, a średnie częstotliwości są stosowane do nagrzewania przedmiotów o większych wymiarach i złożonych kształtach. Lutowanie, spawanie cienkościennych elementów i obróbka cieplnej powierzchni blach stalowych to czynności wykonywane za pomocą nagrzewania indukcyjnego.
Nagrzewanie ciepłem wydzielonym na rezystancji
Przepływ prądu o dużej gęstości przez łączone części metalowe między dwiema elektrodami powoduje przemianę energii elektrycznej w energię cieplną. Jest to typowy układ elektrod używanych do zgrzewania metalu. Nagrzewanie ciepłem rezystancyjnym jest wykorzystywane do zgrzewania metalu i spawania elektrożużlowego; ciepło jest wydzielane na rezystancji żużla.
Temperatura ciekłego żużla określa rezystencję żużla, w którym topi się drut elektrodowy. Całkowita rezystancja prądu przepływającego przez roztopiony żużel jest proporcjonalna do głębokości kąpieli żużlowej, a temperatura kąpieli i głębokość zanurzenia w niej drutu elektrodowego są odwrotnie proporcjonalne.
Nagrzewanie łukiem elektrycznym
Łuk spawalniczy jest wyładowaniem elektrycznym w atmosferze mieszaniny
gazów i par metali przy dużej gęstości prądu w przewodzącym kanale
gazowym i niskim napięciu między elektrodami. W większości przypadków wyładowanie niestabilne jest zakłócane przez krople roztopionego metalu, które przenoszą się z elektrody drutowej do jeziorka spoiny.
Na przestrzeni czasu droga wyładowania jest skracana, a czasami zwarta. Odległość między elektrodami jest również zmieniana przez erupcję gazu z kropli w reakcjach metalurgicznych i ruch roztopionego metalu w jeziorku spoiny i na końcu elektrody drutowej. Stochastyczne zmiany rezystancji kanału zjonizowanego gazu są spowodowane tymi ciągłymi zmianami parametrów przestrzeni łukowej. Stepień zjonizowania gazu, czyli ilość elektronów i jonów powstających w wyniku jonizacji termicznej, określa przewodność elektryczną kanału wyładowania łukowego. Plazma to mieszanina atomów, elektronów i jonów tworzona przez jonizację.
Energia elektryczna ze źródła zasilania jest przekształcana w łuku w energię kinetyczną i potencjalną cząsteczek plazmy. Energia ta jest następnie przekształcana w energię cieplną, która nagrzewa elektrody, a następnie w energię promieniowania elektromagnetycznego, które wypromieniowuje się ze strefy łuku. Przewodzący kanał gazowy wyładowania łukowego łączący elektrody ma formę cylindra lub ściętego stożka. Działania tego kanału różnią się w zależności od odległości od elektrod.
Nagrzewanie strumieniem plazmy niskotemperaturowej
Strumieniem plazmy niskotemperaturowej jest nazywany łuk elektryczny o bardzo dużej koncentracji zjonizowanych cząsteczek gazu, uzyskiwanej przeważnie przez zmniejszenie promienia luku. W plazmotronach spawalniczych luk elektryczny jest przedmuchiwany przez dyszę o określonej średnicy, co prowadzi do zwiększenia koncentracji. W zależności od konstrukcji palników urządzenia plazmowego występują dwa rodzaje łuków.
- bezpośredni łuk plazmowy , wytworzony między katodą palnika a nagrzewanym materiałem; wysoki stopień koncentracji zjonizowanych cząsteczek gazu uzyskuje się przez przewężenie łuku w dyszy palnika;
- pośredni łuk plazmowy, wytworzony między katodą a anodą palnika; zjonizowane cząsteczki gazu są wydmuchiwane i koncentrowane przez dyszę plazmotronu w postaci strumienia plazmy
Nagrzewanie wiązką eletronową
Bombardowanie nagrzanego przedmiotu przez elektrony rozpędzone w polu elektrycznym podczas spawania wiązką elektronową powoduje przemianę energii elektrycznej w ciepło. Generator wiązki składa się z anody, katody i elektrody regulującej moc wiązki, znanej jako cylinder Wehnelta.
W polu elektrycznym tworzonym przez wysokie napięcie między anodą, elektrodą sterującą i katodą elektrony emitowane z katody w próżni są przyspieszane i nabierają energii kinetycznej.
Elektrony również skupiają się w postaci wiązki pod wpływem pola elektrycznego, które tworzy soczewkę elektronową. W zależności od potrzeb procesu nagrzewania wązka elektronowa może mieć formę pierścienia, walca lub prostokąta. Służy jako napięcie przyspieszające napięcie stałe o wartości 30-150 kV. Wiązka elektronowa, składająca się z rozpędzonych elektronów, po opuszczeniu generatora wiązki może być dalej skupiana przez soczewki magnetyczne. Może być ona także odchylana w polu magnetycznym, co umożliwia dokładne sterowanie strumieniem ciepła w miejscu nagrzewania.
Duża prędkość, czyli duża energia kinetyczna elektronów, powoduje, że materiał nagrzewa się w miejscu działania wiązki elektronowej.
Wpływ pola elektrycznego może przyspieszyć elektron znajdujący się w próżni. Koszt pracy pola elektrycznego, który zależy od napięcia przyspieszającego Ua przyłożonego między anodą a katodą, powoduje wzrost energii kinetycznej elektronu.
Nagrzewanie wiązką laserową
Laser należy do grupy wzmacniaczy kwantowych i działa na zasadzie wzbudzania atomu, jonu lub cząsteczki materii. Wzbudzenie polega na przejściu elektronów atomu z niższego poziomu energetycznego na wyższy, co następuje w wyniku dostarczenia atomowi energii z zewnątrz w postaci kwantu promieniowania elektromagnetycznego (światła). W tym momencie atom, który pozostaje w stanie wzbudzonym, absorbuje energię promieniowania. Przejście elektronu z wyższego poziomu na niższy jest zawsze związane z emisją energii, czyli promieniowaniem elektromagnetycznym.
W przypadku nagrzewania współczynnik odbicia zmienia się w znacznych granicach w zależności od składu chemicznego nagrzewanych materiałów i ich właściwości fizykodynamicznych. Ta zmienność występuje w każdym zakresie promieniowania. Sprawność nagrzewania elementów zależy między innymi od koloru materiałów, z których są wykonane. Tych wad nie ma promieniowanie w paśmie dalekiej podczerwieni. Charakteryzuje się bardzo dużą głębokością wnikania, a współczynnik odbicia jest minimalny, niezależnie od barw nagrzewanych materiałów.
Nagrzewanie tarciowe
W wyniku tarcia wirujących lub drgających mas energia kinetyczna przekształca się w energię cieplną podczas procesu nagrzewania tarciowego. Zgrzewanie tarciowe lub ultradźwiękowe wykorzystuje ciepło wytwarzane podczas tarcia.
Jednym ze sposobów łączenia elementów nagrzanych pod wpływem ciśnienia lub wymieszania jest zgrzewanie tarciowe. W ten sposób energia mechaniczna zgrzewania jednego elementu jest bezpośrednio przekształcana w ciepło w miejscu przyszłego połączenia. Ciepło to koncentruje się na połączonych powierzchniach elementów.
Energia wykorzystywana do pokonania momentu tarcia jest przetwarzana na ciepło w warstwach przypowierzchniowych przylegających komponentów. Warstwa te nagrzewają się do temperatury wymaganej do uzyskania połączenia zgrzewanego. Zatrzymanie części wirującej zatrzymuje proces nagrzewania, gdy złącze osiąga odpowiednią temperaturę. W rezultacie części są poddane dodatkowej sile osiowej. Podstawowymi parametrami procesu zgrzewania tarciowego elementów obrotowych są prędkość obrotowa, siła docisku w czasie nagrzewania, siła docisku w czasie spęczania i wartość spęczania.
Bibliografia:
1. Dobaj E. \ Maszyny i urządzenia spawalnicze. Warszawa, WNT 1998.
2. Dobaj E Poradnik inżyniera. Spawalnictwo. Rozdział XV. Urządzenia do spawania elektrycznego. Warszawa, WNT 1983.
3. DubikA.: 1000 słów o laserach i promieniowaniu laserowym. Warszawa, MON1989.
4. Hummitzsch W.: Atmosphäre des Lichtsbogen beim C 0 2-Schweissen mit Stahldrahtelektroden. Schweissen und Schneiden 1974 nr 8.
5. Klimpel A.: Lasery diodowe dużej mocy w spawalnictwie. Przegląd Spawalnictwa 1999 nr 8.
6. Knipstrom K., Pekkari B. : Nowy proces spajania – zgrzewanie tarciowe z mieszaniem wewnętrznym zgrzeiny. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa 1997 nr 5.
7. Lebedev V.K., Cemienko I.A., Villja V.I.: Svarka treniem. Spravocnik. Leningrad, Maszinostroienie 1987.
8. Leskow G.F.: Elektrićeskaja svarocnaja duga. Moskwa, Maszinostroienie.
9. Michalski R., Kamiński Z: Zgrzewarki tarciowe. Warszawa, WNT 1975.
10. Poradnik inżyniera. Zastosowanie elektroniki. Warszawa, WNT 1975.
11. Rykalin N.N.: Houdremont lecture. International Institute of Welding 1974.
12. Richardson I.M.: Plasma welding – the current status. Welding and Metal Fabrications 1989 No. 7.