5. SUDAREA MATERIALELOR METALICE
5.1. Generalităţi SUDAREA este un procedeu tehnologic de asamblare a două sau mai multe piese, prin difuzia reciprocă a atomilor în zona îmbinării. Sudarea se realizează printr-un aport de energie din exterior, capabil să scoată din echilibrul termodinamic atomii marginali ai pieselor de sudat şi să-i apropie până la distanţe de ordinul de mărime al parametrilor reţelelor cristaline ale materialelor acestora, astfel încât să se realizeze un amestec intim al materialelor de îmbinat, pe baza for ţelor de coeziune interatomică. Energia necesară sudării se introduce în zona îmbinării cu ajutorul unor maşini, instalaţii şi echipamente de sudare. Ansamblele şi subansamblele îmbinate prin sudare se numesc structuri sudate, iar materialul pieselor componente ale îmbinărilor sudate se numeşte materialul de bază, sau metal de bază. Odată cu energia de sudare, în foarte multe cazuri se introduce în zona îmbinării şi o anumită cantitate de material suplimentar, numit material de adaos sau metal de adaos, căruia îi revine (în cazul când este folosit) rolul principal de realizare a difuziei cu metalul de baz ă al componentelor îmbinării sudate. Spaţiul dintre suprafeţele care participă efectiv la realizarea îmbinării se numeşte rost. Forma secţiunii transversale a rosturilor faţă de direcţia longitudinală a îmbinărilor sudate, elementele geometrice definitorii ale acesteia, ca şi mărimea acestora este reglementată în foarte multe cazuri prin standarde de stat, în funcţie de procedeele de sudare utilizate şi de dimensiunile pieselor de sudat (în special în funcţie de grosimea metalului de bază). Rezultatul îmbinării prin sudare, respectiv îmbinarea sudată, se numeşte pe scurt sudură. Zona îmbinării sudate în care au acţionat efectiv forţele de coeziune interatomică se numeşte cusătură sudată, sau uneori cordon de sudură.
În apropierea cusăturii sudate există de regulă o zonă a metalului de bază având proprietăţi mecanice diferite de cele ale restului piesei, ca urmare a transformărilor structurale în stare solidă suferite în timpul sudării. Aceasta poartă numele de zonă influenţată termic, notându-se adesea prescurtat ZIT.
5.2. Clasificarea procedeelor de sudare Există numeroase criterii de clasificare a procedeelor de sudare, dintre care se vor discuta doar două, mai generale. Introducerea energiei de sudare în zona de realizare a îmbin ării se face fie prin încălzirea locală accentuată a acestei zone, fie fără a se apela la încălzirea sensibilă a acesteia, astfel că sudarea se execută în acest caz “la rece”, prin aplicarea unor forţe. Încălzirea pieselor în procesul de sudare modifică local proprietăţile metalului de bază, îl aduce în stare plastică sau chiar îl topeşte local, împreună cu metalul de adaos. Procedeele de sudare la care se utilizează topirea locală a metalului de bază se numesc procedee de sudare prin topire, iar acelea la care îmbinarea se execută cu menţinerea metalului de bază în stare solidă se numesc procedee de sudare prin presiune, deoarece în aceste cazuri de regulă energia de sudare se introduce prin presarea locală a pieselor de sudat. După energia primară de la care provine în final energia termic ă necesară încălzirii locale, aceasta poate fi: -
mecanică, c ăldura fiind generată prin lovire, frecare sau ca urmare a deformării elastice sau plastice;
-
termochimică, c ăldura rezultând în urma unor reac ţii exoterme de combustie (sudare cu flacără de gaze) sau de înlocuire (sudare cu termit);
-
electrică, căldura producându-se pe baza efectului Joule (sudare cu arc electric, prin rezistenţă electrică, prin inducţie);
-
radiantă, căldura rezultând în urma localizării energiei radiante într-un spaţiu redus (sudare cu laser, cu fascicul de electroni).
Procedeele de sudare sunt clasificate pe larg în STAS 8325-69. Dintre procedeele de sudare, amintite mai sus, în tehnica actual ă, cea mai mare răspândire o are sudarea prin topire cu arc electric, apoi sudarea electrică prin rezistenţă, prin presiune, urmată de sudarea prin topire cu flacără de gaze şi celelalte procedee.
5.2.1. Clasificarea îmbinărilor sudate Îmbinările sudate se pot clasifica dup ă mai multe criterii, dintre care unele constituie obiectul unor standarde de stat. Un criteriu de clasificare foarte important este cel al poziţiei reciproce a elementelor îmbinate. După acest criteriu, îmbinările sudate prin topire pot fi (fig. 5.1).
Fig. 5.1. Îmbinări sudate prin topire - cap la cap:
- pe o parte (a); - pe ambele părţi (b);
- prin suprapunere:
- frontală (c); - laterală (d); - înclinată (e);
- în colţ:
- interioară (f); - exterioară (g); - în T (h); - în cruce (i); - în găuri (j); - în muchie (k).
La rândul lor, îmbinările prin presiune pot fi: -
cap la cap (fig. 5.2);
- prin suprapunere:
- în puncte (fig. 5.2);
Fig. 5.2. Îmbinări sudate prin presiune Din fig. 5.2 a, b şi c rezultă că sudurile pot fi continue sau discontinue, în funcţie de condiţiile funcţionale impuse şi de particularităţile procedeelor de sudare utilizate. Există numeroase alte criterii de clasificare. Unele aspecte ale acestor clasificări vor fi lămurite în mare parte în cadrul subcapitolelor tratate în continuare.
5.3. Modul operator al procedeelor de sudare Orice procedeu de sudare se caracterizează printr-o serie de particularităţi privind necesitatea sau inutilitatea folosirii materialului de adaos, forma sub care se prezint ă acesta, numărul şi tipul mişcărilor relative ale metalului de adaos fa ţă de piesele de sudat, caracteristicile mişcării sursei de căldură în lungul cusăturii sudate etc. Toate acestea constituie atribute ale unui ansamblu de condiţii în care se desfăşoară procesul de sudare şi care definesc modul operator al procedeelor de sudare, sau tehnica operatorie a acestora. În cele ce urmează se vor trata elementele ce stau la baza procedeelor de sudare mai des utilizate în tehnica actuală, insistându-se, în special, asupra modului operator al fiec ăruia dintre acestea şi asupra criteriilor ştiinţifice pentru stabilirea parametrilor regimurilor de sudare.
5.4. Sudarea prin topire cu arc electric 5.4.1. Arcul electric pentru sudare Arcul electric este o descărcare de durată între doi electrozi executaţi din materiale conducătoare electric, în condiţiile existenţei unei diferenţe de potenţial suficientă pentru a asigura un înalt grad de ionizare a spaţiului dintre aceştia. Arcul poate avea acţiune directă sau acţiune indirectă.
În primul caz (fig. 5.3) arcul se stabileşte între un electrod 1, fuzibil (metalic) sau nefuzibil (din cărbune sau wolfram) şi piesa de sudat 2, care joacă rolul celui de al doilea electrod. Sursa de curent 3, poate debita curent continuu sau alternativ. În cazul utilizării electrodului metalic fuzibil acesta are o compoziţie chimică asemănătoare cu cea a metalului de bază şi se topeşte sub influenţa căldurii arcului electric, care realizează şi transportul particulelor de metal din electrod spre cus ătura sudată. Dacă se foloseşte electrod nefuzibil, pentru umplerea rostului dintre piesele de îmbinat este necesar material de adaos, sub forma unei vergele sau sârme de compoziţie chimică asemănătoare cu cea a materialului de baz ă. In cazul utilizării arcului cu acţiune indirectă (fig. 5.3, b) arcul electric se realizează între doi electrozi nefuzibili 1, legaţi la sursa de curent de sudare 3, fiind întotdeauna necesar materialul de adaos 4.
Fig. 5.3. Arcul electric pentru sudare.
Fig. 5.4. Structura arcului electric.
În practică cel mai des se utilizează arcul cu acţiune directă. În cazul utilizării curentului continuu, pentru amorsarea şi menţinerea arcului cu acţiune directă este importantă polaritatea utilizată. Situaţia în care piesa este legată la anod, iar electrodul la catod, se denumeşte polaritate directă, iar situaţia contrară se numeşte polaritate inversă. Structura arcului electric pentru sudare (fig. 5.4) cuprinde coloana arcului 1, aureola 2, pata anodică 3 şi pata catodică 4. Temperatura arcului depăşeşte 5 000°K în coloană, petele având temperaturi variabile, funcţie de natura electrodului (2.500 ... 3.700°K pentru pata catodică, 2.600 ... 4.250 °K pentru pata anodică). Încălzirea mai puternică a anodului se explică, în principal, prin faptul că pentru emisia electronică în pata catodică se cheltuieşte lucru mecanic de ieşire, în contul electrodului, iar prin intrarea electronilor în anod se restituie această energie. De aceea, polaritatea directă se utilizează la sudarea pieselor mai groase, în general, când este necesar s ă se încălzească mai tare piesa de sudat, iar polaritatea inversă va fi utilizată mai ales la sudarea pieselor subţiri, sau la utilizarea unor electrozi relativ gro şi. Fenomenul de producere a arcului se numeşte amorsarea acestuia şi se realizează prin atingerea electrodului pe piesă (scurtcircuitarea acestora), urmată de îndepărtarea electrodului până la o distanţă aproximativ egală cu diametrul electrodului. Pentru amorsarea arcului este necesară o anumită valoare a tensiunii, denumită tensiune de
amorsare (55 ... 60 V), care depăşeşte valoarea tensiunii necesară arderii arcului (Ua = 15 ... 40 V). Se constată că tensiunea arcului Un, variază liniar cu lungimea lui l, conform rela ţiei: Ua = a + b ⋅ l
(5.1)
în care : a este un coeficient reprezentând suma c ăderilor de tensiune de pe cele dou ă pete ale arcului, iar b căderea specifică de tensiune în lungul arcului (a = 10 ... 15V ; b = 2 ... 3 V/mm). Rezultă de aici că cu cât lungimea arcului creşte, cu atât creşte tensiunea de ardere. Legătura între tensiunea arcului Ua şi curentul de sudare, IS este o funcţie Ua = f(IS), iar reprezentarea ei grafică, denumită caracteristica statică w arcului, prezintă 3 zone: 1 - zona coborâtoare ; 2 - zona rigid ă (constantă) şi 3 - zona urcătoare (fig. 5.5).
Fig. 5.5. Caracteristica statică a arcului electric. Zona rigidă începe de Ia valori de circa 100 A, când U a nu mai depinde practic de IS, iar apoi, la valori mari ale curentului de sudare, se constată o creştere a tensiunii la creşterea curentului. Ultima parte a zonei 1 şi prima a zonei 2 sunt avantajoase şi se utilizează Ia sudarea manuală cu arc electric descoperit, iar a doua jum ătate a zonei rigide şi cea urcătoare sunt utilizate la sudarea sub strat de flux şi în mediu protector de gaze. Caracteristica statică a arcului electric corespunde unei anumite lungimi a arcului electric (v. relaţia 1). Dacă lungimea arcului se schimbă, de exemplu crescând la l2 > l 1, atunci se modifică şi poziţia caracteristicii statice care se
deplasează mai sus. Stingerea arcului electric se poate produce în două situaţii : 1° - când lungimea arcului l
creşte atât de mult încât tensiunea necesară depăşeşte valoarea maximă pe care o poate asigura sursa de curent ; 2° - când lungimea arcului devine nul ă şi între electrod şi piesă se creează o punte de metal continuă.
5.4.2. Surse de curent pentru sudare Spre deosebire de sursele de curent cu alt ă destinaţie, sursele de curent pentru sudarea cu arc trebuie să îndeplinească următoarele condiţii : 1°. Tensiunea la bornele sursei la mersul în gol trebuie s ă fie suficient de mare, pentru a da posibilitatea amorsării arcului; 2°. Curentul de scurt-circuit să nu depăşească prea mult curentul de sudare, pentru a se preveni avarierea sursei şi a circuitului de sudare, datorită încălzirii excesive a acestora; 3°. Intensitatea curentului debitat să aibă valori mari pentru a obţine un efect termic ridicat. Pentru a realiza acest deziderat este necesar ă folosirea unei tensiuni scăzute, care însă nu poate fi redusă sub valoarea tensiunii necesară menţinerii arcului electric. Folosirea unor tensiuni sc ăzute îmbunătăţeşte condiţiile de lucru micşorând pericolul de electrocutare a muncitorului; 4°. Variaţia curentului de sudare IS să fie limitată în cazul când tensiunea arcului variază datorită variaţiei lungimii arcului (cauzată de exemplu de topirea mai rapidă sau de ridicarea (electrodului). Relaţia dintre tensiunea dată de sursă Ud, în funcţie de curentul de sudare IS, se numeşte caracteristica externă (statică) a sursei de curent şi are, de obicei, o alură coborâtoare (fig. 6, curba CE).
Fig. 5.6. Caracteristica externă a sursei de curent pentru sudare (CE). Punctul de intersecţie a curbei cu axa absciselor dă valoarea curentului de scurtcircuit ISC, care nu depăşeşte cu mai mult de 1,5 ori valoarea curentului de mers în regim (realizarea condi ţiei 2°). Dacă se suprapune peste caracteristica externă a sursei, caracteristica statică a arcului electric se obţin două puncte de intersecţie: unul A, reprezentând punctul de amorsare, iar celălalt B, punctul de ardere stabilă a arcului electric.
Condiţia 4° este realizată atunci când caracteristica externă a sursei este puternic coborâtoare. De exemplu, dacă lungimea arcului electric creşte de la valoarea l la l1 (l1>l), atunci punctul de ardere stabil ă al arcului se schimbă din B în B', ceea ce înseamn ă o variaţie a curentului de sudare cu valoarea ΔI = I B - I B' (fig. 5.6). Pentru ca unei modific ări a lungimii arcului egală, cu
Δl = l1 - l s ă-i corespundă o valoare Δl cât mai mică, este necesar ca în triunghiul dreptunghic B'BC, unghiul a (panta curbei) să fie cât mai mare (apropiat de 90°). Majoritatea surselor de curent pentru sudare pot realiza mai multe caracteristici externe, dintre care, la reglarea iniţială a sursei, se alege caracteristica cea mai convenabilă pentru cazul dat, funcţie de condiţiile concrete de sudare. După felul curentului debitat sursele de curent pentru sudare pot fi : - surse de curent continuu: generatoarele de curent continuu pentru sudare (convertizoare pentru sudare), acţionate de un motor electric asincron sau de un motor cu explozie şi redresoarele de curent pentru sudare, înzestrate cu celule redresoare din siliciu; - surse de curent alternativ: transformatoarele de curent pentru sudare, mono sau trifazate, alimentate de la reţeaua de curent alternativ. Datorită stabilităţii mai mici a arcului electric la sudarea în curent alternativ, este necesar ca pe lângă condiţiile generale impuse tuturor surselor de curent pentru sudare, sursele de curent alternativ să îndeplinească şi următoarele condiţii suplimentare: - În circuitul de sudare să existe o reactanţă suficient de mare care să creeze un defazaj între tensiune şi curentul de sudare, adică în momentul când IS = 0, Ua să aibă o valoare suficient de mare pentru menţinerea în continuare a arcului şi invers. Această proprietate este caracteristică surselor cu stabilitate dinamică mare, adică acelor surse care permit de fiecare dată creşterea bruscă a curentului la anularea frecventă a tensiunii şi invers. - Tensiunea de mers în gol, necesară amorsării arcului, să fie mai mare decât cea corespunzătoare surselor de curent continuu. - Panta caracteristicii externe să fie mai mare decât cea corespunzătoare surselor de curent continuu. În ţara noastră se fabricau diverse tipuri de surse de curent pentru sudare ca: generatoare de curent continuu, redresoare pentru sudare şi transformatoare de sudare. În principiu, utilizarea unui tip de surs ă sau a altuia este legat ă de unele avantaje şi dezavantaje. Sursele de curent alternativ, în comparaţie cu cele de curent continuu rotative, prezintă următoarele avantaje: au greutăţi şi gabarite mici, au randament mai mare, se uzează foarte puţin în cursul exploatării, necesită o întreţinere minimă, dar prezintă şi unele dezavantaje, ca: stabilitatea mai mică a arcului, în special la curenţi mici, încărcarea nesimetrică a reţelei de alimentare şi factor de putere mai mic.
5.5. Sudarea manuală cu electrozi înveliţi 5.5.1. Echipamentul de sudare. Acesta este alcătuit din: sursa de curent pentru sudare, clema de contact, portelectrodul, cablurile circuitului de sudare şi echipamentul de protecţie. Sursa de curent pentru sudare este, de regul ă, un transformator sau un generator de curent pentru sudare, ce asigura curenţi nominali de ordinul a 200 … 350 A şi tensiuni de mers în gol Ua = 55 ... 80 V. Cablurile pentru sudare sunt multifilare şi se execută din cupru. Ele au, în mod frecvent, secţiuni cuprinse între 25 mm2 şi 125 mm2. Portelectrodul este un cleşte standardizat de construcţie specială, care serveşte la prinderea electrodului şi la conectarea lui în circuitul de sudare. El trebuie să fie uşor şi să asigure în acelaşi timp un contact bun cu electrodul, pe o suprafaţă suficient de mare. Portelectrodul trebuie să aibă un mâner bine izolat. Clema de contact realizează o legătură strânsă între piesă şi conductorul legat la sursa de curent de sudare. Echipamentul de protecţie. Pentru protejarea sănătăţii sale sudorul foloseşte următorul echipament de protecţie: - măşti prevăzute cu filtru executat din sticlă specială, opacă la radiaţiile ultraviolete şi infraroşii; - şorţ, mănuşi şi ghete sau jambiere din piele; - ochelari cu sticlă securit pentru protejarea ochilor în timpul curăţirii cusăturii sudate. Purtarea echipamentului de protecţie complet este obligatorie, atât pentru sudor, cât şi pentru toţi cei din cabina sau boxa în care se g ăseşte postul de lucru. În afară de cele descrise mai sus, sudorul foloseşte un ciocan special pentru spargerea crustei de zgură formată în timpul sudării şi o perie de sârmă pentru curăţirea cusăturii şi a marginilor tablelor de îmbinat.
5.5.2. Electrozi înveliţi pentru sudarea manuală cu arc electric. Electrozii utilizaţi curent sunt nişte vergele metalice, acoperite cu un înveli ş fuzibil care are rolurile principale de a uşura amorsarea arcului electric de a asigura arderea stabilă a acestuia şi de a contribui la procesele metalurgice din baia de sudare.
Diametrele standardizate ale vergelelor electrozilor cei mai utilizaţi sunt: 2,5; 3,25; 4; 5 şi 6 mm, iar lungimile sunt de 300, 350 şi 450 mm. Caracteristicile mecanice ale metalului depus şi ale îmbinării sudate, ca şi compoziţia chimică a metalului depus la sudarea oţelurilor, trebuie să corespundă, de asemenea, unor condiţii standardizate. O importanţă deosebită în realizarea unei cusături de calitate o prezintă alegerea raţională a învelişului electrozilor. Învelişul se compune dintr-un amestec de substanţe naturale sau prelucrate, măcinate fin şi amestecate omogen. Acestea se pot grupa în 9 categorii, dup ă funcţia lor în înveliş, aşa cum rezultă din tabelul 5.1.
Tabelul 5.1 Materiale componente ale învelişului electrozilor Nr crt.
Categorii de substanţe Ionizanţi Zgurifianţi
Dezoxidanţi Componenţi de aliere Fluidifianţi Gazeifianţi Lianţi Plastifianţi Componenţi de adaos
Denumirea materialelor Carbonat de calciu (cretă, marmură şi calcită). Bioxid de titan (rutil, ilmenit) Carbonat de potasiu (potasă, cenuşă) Oxizi şi săruri ale metalelor alcalino-pământoase. Minereuri de titan, mangan şi fier (rutil, ilmenit, rodomit, hematită, magnetită). Silice şi silicaţi naturali (cuarţ, feldspat, mică, caolină). Carbonaţi naturali (calcită, dolomită, magnezită) Feroaliaje (feromangan, ferosiliciu, ferotitan, ferocrom), aluminiu, grafit. Feroaliaje Sărurile şi oxizii metalelor alcalino-pământoase, bioxid de titan, fluorină. Substanţe organice: amidon, dextrină, celuloză, rumeguş. Substanţe minerale: carbonaţi de calciu, magneziu şi bariu. Silicaţi lichizi de potasiu şi sodiu, dextrină. Bentonită, dextrină, amidon, ciment etc. Pulbere de fier, pulbere de nichel.
Substanţele care formează învelişul unei anumite mărci de electrozi conferă cusăturii sudate proprietăţi caracteristice, datorită faptului că ele influenţează direct procesele de oxidare şi dezoxidare din baia de metal topit la sudare. În conformitate cu STAS 7240-79, electrozii obi şnuiţi pot avea învelişul: acid, bazic, celulozic, oxidant, rutilic, titanic sau cu alt caracter. Acest standard precizează compoziţia învelişului şi dă indicaţii de utilizare pentru fiecare tip de înveliş. Menţionăm că electrozii bazici, utilizaţi de regulă la sudarea otelurilor cu peste 0,2 ... 0,25%C, se folosesc numai în curent continuu cu polaritate inversă, iar toate celelalte tipuri de electrozi se folosesc fie în curent alternativ, fie în curent continuu cu polaritate preferen ţial directă.
Electrozii bazici trebuie preîncălziţi la 200 ... 250 °C înainte de utilizare, deoarece au învelişul higroscopic, ceea ce conduce la pericolul introducerii în cusătură a hidrogenului, iar acesta micşorează rezilienţa cusăturilor sudate. Conform STAS 7240-79, electrozii pentru sudarea manuală cu arc electric se notează simbolizat, spre exemplu astfel : E.50.24.13 / R.m.1.1 În această marcă, E reprezintă simbolul general al electrozilor, iar numerele şi literele indică în ordine, următoarele elemente: rezistenţa la rupere a metalului depus - 50 daN/mm2; alungirea specifică la ruperea acestuia – 24 %; rezilienţa metalului depus - 13 daJ/cm2; înveliş rutilic - R; având grosime medie - m; pozi ţii de sudare posibile - simbol 1 (indiferent); utilizabil fie în curent continuu, indiferent de polaritate, fie în curent alternativ - simbol 1. În cazul general, se mai pot întâlni următoarele elemente simbolizate: - grosimea înveli şului, în funcţie de raportul între diametrul electrodului învelit (D) şi diametrul vergelei (d), se simbolizează prin următoarele litere: s - înveliş subţire, cu raportul D/d ≤ max. 1,4; m - înveliş mediu, cu raportul D/d = 1,4 ... 1,55; g - înveliş gros, cu raportul
D/d = 1,55 ... 1,7;
fg - foarte gros, cu raportul
D/d ≥ peste 1,7;
- poziţiile de sudare în care poate fi utilizat electrodul se simbolizează în felul următor: 1 - toate poziţiile (indiferent); 2 - toate poziţiile, exceptând poziţia verticală de sus în jos; 3 - poziţia orizontală, orizontală în jgheab şi uşor înclinată; 4 - orizontală şi orizontală în jgheab; - caracterul curentului de sudare se simbolizează astfel: 1 - curent continuu sau alternativ; 2 - curent continuu, în mod obligatoriu; - caracteristicile tehnice speciale ale electrozilor pentru sudarea o ţelurilor carbon şi slab aliate se simbolizează prin următoarele litere, adăugate la sfârşitul simbolului: H - electrozi cu conţinut redus de hidrogen; P - electrozi cu pătrundere adâncă; Fe - electrozi care conţin pulbere de fier, minimum 150%. Pentru sudarea oţelurilor carbon uzuale se recomandă alegerea mărcilor de electrozi metalici înveliţi, conform tabelului 5.2.
Tabelul 5.2 Recomandări pentru alegerea electrozilor Nr.
Marca metalului de bază
crt.
Tipul electrodului recomandat
1
OL 32
E.44.22.9/T.g.2.1
2
OL 34
E.44.22.9/C.m.1.1
3
OLT 35; OLC 10
E.42.26.13/B.g.2.2
4 5
OL 37 OL 42
E.44.22.9/T.g.2.1 E. 42.26.13/B.g.2.2
6
OL 44
E. 50.24.13/B.g.2.2
7
OL 52
E 52.22.13/B.g.2.2
Alegerea diametrului şi a lungimii electrodului se face în func ţie de grosimea tablelor de sudat şi intensitatea curentului utilizat. Indicaţiile referitoare la acestea sunt notate de produc ătorul electrozilor pe cutiile de ambalaj ale acestora.
5.5.3. Pregătirea pieselor în vederea sudării.
Această categorie de lucrări cuprinde următoarele operaţii: prelucrarea marginilor pieselor de sudat, curăţirea acestora de oxizi şi grăsimi, asamblarea pieselor într-o poziţie corectă, eventual preîncălzirea pieselor sau deformarea prealabilă a acestora în zona ce va fi influenţată termic, în vederea compensării deformaţiilor ce vor rezulta în urma procesului tehnologic de sudare. De cele mai multe ori, la sudarea oţelurilor cu puţin carbon, pregătirea pieselor în vederea sudării cuprinde numai o parte a operaţiilor enumerate mai sus. În scopul obţinerii unor cusături de calitate, marginile tablelor se prelucrează, dându-li-se o formă corespunzătoare alcătuirii rostului, în funcţie de grosimea lor şi de tipul îmbinării sudate. Prelucrarea se face conform STAS 662-62. În figura 5.7 se prezintă elementele principale ale unor rosturi utilizate la sudarea cu electrozi înveliţi.
Fig. 5.7. Exemple de rosturi ale pieselor ce urmează a se suda.
5.5.3.1. Poziţia de sudare La sudarea prin topire există unele dificultăţi în transferul metalului topit de pe electrod spre piesă, dacă rostul cusăturii nu este astfel plasat faţă de arcul electric, încât acest transfer s ă fie favorizat de forţele de gravitaţie. Acest fenomen a determinat necesitatea standardizării poziţiilor de sudare, definite în STAS 7365-74 prin intermediul unor parametri unghiulari, care exprimă atât înclinarea longitudinală a cusăturii ce se realizează la un moment dat, cât şi înclinarea planului median al băii de metal topit fală de verticală. În figura 5.8 se prezint ă unele poziţii particulare de sudare, rezultate din prevederile acestui standard.
Fig. 5.8. Principalele poziţii de sudare Cel mai mare grad de dificultate la sudare îl prezint ă sudarea pe plafon. Pentru realizarea acestor suduri, cât şi a celor verticale, în cornişă sau înclinate, sunt necesare măsuri tehnologice speciale, care să conducă la micşorarea volumului băii de metal topit existent la un moment dat şi la scăderea fluidităţii acestuia, în vederea prevenirii fenomenelor de scurgere a b ăii sub influenţa forţelor de gravitaţie.
5.5.3.2. Sudabilitatea materialelor metalice Prin sudabilitate se înţelege proprietatea tehnologică a unui material metalic de a se putea suda printr-un procedeu uzual de sudare, astfel încât îmbinarea s ă corespundă condiţiilor impuse de exploatare. Ca şi alte proprietăţi tehnologice, sudabilitatea este o noţiune relativă, fiind condiţionată de o serie de factori ca : - metalul de bază (compoziţie chimică, proprietăţi, structură, prelucrări anterioare); - procedeul de sudare aplicat şi tehnica sudării (tratament preliminar şi final, regimul de sudare, succesiunea depunerii straturilor de metal etc.); - configuraţia şi dimensiunile ansamblului sudat şi a cusăturilor pe ansamblu. Dată fiind multitudinea de factori care influenţează sudabilitatea este normal să nu existe o metodă unică, cantitativă, de apreciere a sudabilit ăţii. Din acelaşi motiv sudabilitatea nu se exprimă prin valori numerice bine determinate, ci prin calificative obţinute pe baza unor indici realizaţi în urma unor încercări de sudabilitate. Astfel, oţelurile se pot grupa în funcţie de sudabilitatea lor, aşa cum se arată în tabelul 5.3, reprodus după STAS 7194-65.
Tabelul 5.3 Gruparea oţelurilor din punctul de vedere al
Gruparea oţelurilor după stabilitate Calificativul Garantarea sudabilităţii
sudabilităţii
Bună
da
Observaţii
sudabilităţii I
a
necondiţionată b
Bună condiţionată
Oţeluri cu sudabilitate bună garantată fără condiţii speciale.
da
Oţeluri cu sudabilitate garantată cu condiţia respectării unor măsuri stabilite în prealabil.
II
Posibilă
nu
Oţeluri cu care se pot obţine îmbinări sudate de calitate corespunzătoare. Condiţiile de sudare le stabileşte beneficiarul.
III
Necorespunzătoare
nu
Oţeluri nerecomandate pentru construcţii sudate, cu care în mod normal nu se obţin îmbinări sudate de bună calitate.
Pentru aprecierea sudabilităţii diferitelor categorii de materiale există prescripţii şi criterii de apreciere care diferă de la ţară la ţară. Institutul Internaţional pentru Sudare (I.I.S.), recomandă peste 120 de metode de apreciere a sudabilităţii.
5.5.3.3. Gruparea oţelurilor după sudabilitate Încercarea sudabilităţii se poate face prin două mari grupe de metode: directe şi indirecte. Metodele directe se diferenţiază după scopul urmărit, în următoarele grupe: - încercări de sudabilitate tehnologică, care evidenţiază posibilităţile de realizare a asamblării prin diferite procedee; - încercări de sudabilitate metalurgică sau locală, prin care se pun în evidenţă transformările fizico-chimice ale metalului de bază sub influenţa ciclului termic ce are loc la sudare; - încercări de sudabilitate constructivă sau globală, care pun în evidenţă proprietăţile de ansamblu ale structurilor sudate, reflectând în special sensibilitatea la fisurare a unei anumite structuri sudate executată dintr-un anumit metal de bază. Metodele indirecte de studiu permit aprecierea sudabilităţii metalelor pornind de la studiul compoziţiei chimice a acestora. Pentru oţeluri, care sunt materialele cele mai frecvent supuse sudării, în general, sudabilitatea scade odată cu creşterea conţinutului de carbon. Ţinând seamă că şi celelalte elemente aflate în compoziţia chimică a oţelului influenţează într-un sens sau altul sudabilitatea, influenţa lor se raportează la cea a carbonului, prin intermediul unei relaţii empirice de forma: %Ce = %C +
%P % M0 %Cr %Cu % Ni + + + + + 0,0024s 2 4 5 13 15
(5.2)
în care : Ce este con ţinutul de carbon echivalent iar s - grosimea materialului de sudat, în mm. Dacă se consideră indicele de sudabilitate într-o scară oarecare de la 1 la 10, comportarea la sudare a oţelurilor în funcţie de carbonul echivalent este ilustrată în figura 5.9. O sudabilitate bună este asigurată pentru un Ce < 0,4 ... 0,5 %. Cu măsuri tehnologice speciale se pot suda şi o ţeluri cu Ce > 1%. În construcţiile sudate însă, se evită utilizarea oţelurilor cu un conţinut de carbon ridicat. Pentru a se obţine rezistenţe ridicate se preferă utilizarea unor oţeluri aliate cu un procent mic de carbon ( ≤ 0,25%), majorând conţinutul în elemente de aliere. - În cazul fontelor sudabilitatea este în general nesatisf ăcătoare. Cu măsurile speciale pentru evitarea albirii în timpul răcirii (preîncălzirea pieselor, alierea băii de sudare cu elemente grafitizante), este posibilă sudarea fontelor cenuşii, a celor cu grafit nodular şi a celor maleabile. - În cazul materialelor metalice neferoase sudabilitatea este condi ţionată de anumite proprietăţi specifice acestor materiale. Astfel, cuprul se sudeaz ă bine dacă nu conţine O2 mai mult de 0,004%
şi
dacă se iau măsuri pentru evitarea pierderilor mari de c ăldură, datorate conductibilităţii termice
foarte bune. Măsuri similare trebuie adoptate şi în cazul sudării aluminiului şi aliajelor sale, în plus sudabilitatea este redusă din cauza tendinţei puternice de oxidare la temperaturi ridicate. Alama se sudează greu din cauza zincului care este uşor oxidabil, iar bronzul are influenţe asupra sudabilităţii oţelului din cauza segregaţiei puternice.
Fig. 5.9. Influenţa compoziţiei chimice La materialele cu sudabilitate scăzută, cu cât energia introdusă în unitatea de timp în unitatea de bază în procesul sudării este mai mare, cu atât creşte şi pericolul măririi zonei de supraîncălzire a marginilor pieselor de sudat, ca şi pericolul apariţiei unor tensiuni interne remanente periculoase sau a unor deformaţii termice mari, ca urmare a echilibrării reciproce a tensiunilor interne. Energia introdusă în unitatea de timp într-o anumită zonă a pieselor de sudat variază direct proporţional cu puterea consumată la sudare şi cu randamentul transferului de căldură de la sursa de căldură spre metalul de bază şi invers proporţional cu viteza de sudare. La procedeele de sudare electrică se defineşte, în acest sens, o mărime denumită energie liniară El: E l = 36 ⋅ U a ⋅ I S vS
(5.3)
în care η reprezintă randamentul transferului căldurii spre metalul de bază, variind la diferite procedee de sudare cu are electric, între 0,6 şi 0,95. În relaţia (5.3) tensiunea Ua se introduce în V, curentul de sudare I S în A, iar viteza de sudare vS în m/oră.
Energia liniară şi randamentul termic au valori particulare specifice atât procedeelor de sudare utilizate, cât şi condiţiilor concrete în care se face sudarea. Din relaţia (5.3) şi conform celor arătate anterior, rezultă că la sudarea materialelor cu sudabilitate scăzută, este în general necesară folosirea unor energii liniare cât mai mici concretizate în sudarea cu arc scurt, cu curenţi mici şi deci şi cu electrozi subţiri, deci în mai multe treceri (la sudarea pieselor groase) şi cu viteze de sudare cât mai mari.
5.5.4. Modul operator la sudarea cu electrozi înveliţi După fixarea în poziţia dorită a tablelor de sudat, pregătite în prealabil, sudorul echipat corespunzător, ţine (de obicei) în mâna stângă masca de protecţie, iar în dreapta portelectrodul în care a fixat un electrod şi loveşte uşor piesa de sudat cu capătul liber al electrodului. Apoi acest capăt este îndepărtat la o distanţă faţă de piesă, egală aproximativ cu diametrul electrodului, căutând să menţină cât mai constantă această distanţă, în tot timpul lucrului. Întrucât arcul electric formează la capătul electrodului un crater, rezultat din topirea mai rapidă a metalului electrodului faţă de arderea iniţială a învelişului acestuia, de cele mai multe ori menţinerea la o lungime optimă a arcului se face prin rezemarea uşoară a învelişului electrodului pe metalul de bază. La sudarea tablelor în poziţie orizontală electrodul trebuie să fie în permanentă înclinat în direcţia de sudare, cu un unghi de 15...30° fa ţă de verticală, variabil în funcţie de forma cusăturii prescrisă în desen şi de grosimea tablelor şi a învelişului electrodului. Odată cu înaintarea în lungul cusăturii (cu viteza de sudare vs) şi cu compensarea topirii capătului electrodului (cu viteza va), electrodul se şi pendulează uneori transversal pe direcţia de sudare, cu viteza vP Forma acestor pendulări depinde de gradul de înc ălzire pe care vrem să-1 dam uneia sau ambelor piese de sudat, mai ales în cazul sudării tablelor groase. Poziţia şi deplasările electrodului sunt prezente în figura 10, a. În figura 5.10, b se dau câteva traiectorii ale pendulărilor cele mai uzuale utilizate pentru încălzirea suplimentară a ambelor sau, mai ales, a uneia din tablele de sudat. Calitatea sudurii executate depinde într-o foarte mare m ăsură de execuţia uniformă şi sincronizată a celor trei mişcări prezentate în figură. În linii mari, amorsarea arcului de sudare este similar ă (ca tehnică operatorie) cu aprinderea unui chibrit, iar tehnica mânuirii electrodului, la sudarea în pozi ţie orizontală, este similară cu tehnica scrisului.
Evident, există diferenţe esenţiale în ceea ce priveşte masele obiectivelor manevrate în aceste scopuri, în ceea ce prive şte traiectoriile imprimate acestora şi în ceea ce priveşte vitezele de mişcare.
Fig. 5.10. Modul operator la sudarea cu electrozi înveli ţi bară Sudarea în poziţie verticală se poate executa de sus în jos sau de jos în sus, în ambele cazuri electrodul făcând un unghi de 40 ... 50° cu verticala, aşa cum rezultă din figura 5.11.
Fig. 5.11. Poziţia şi deplasarea electrodului la sudarea pe verticală La sudarea cusăturilor orizontale pe perete vertical, trebuie evitată încălzirea excesivă a marginii piesei inferioare, ceea ce ar conduce la apariţia pericolului scurgerii băii. Arcul se amorsează pe piesa inferioară, iar apoi este condus pe cea superioară unde se menţine până la scurgerea picăturii de metal topit (fig. 5.12).
Fig. 5.12. Deplasarea arcului electric la sudarea orizontală pe perete vertical. În cazul sudării pe plafon, arcul se menţine foarte scurt, executându-se mânuiri rapide ale electrodului, pentru amorsarea şi susţinerea unei băi de sudare cât mai mici în volum (fig. 5.13). Pentru executarea cusăturilor suficient de lungi se recomand ă fixarea la capete a tablelor între ele, cu ajutorul unor plăcuţe sudate. Întrucât la amorsarea şi stingerea arcului se produc cratere, se recomandă ca acestea să se execute pe plăcuţele de fixare reciprocă a pieselor de sudat.
Fig. 5.13. Deplasarea arcului electric la sudarea pe plafon.
Fig. 5.14. Deplasarea arcului la sudarea în pas de pelerin
Fig. 5.15. Deplasarea arcului la sudarea în salturi În cazul amorsării arcului în continuarea unei cusături efectuate anterior, se recomandă reamorsarea lui cu 15 ...20 mm înainte de locul întreruperii. Pentru micşorarea craterelor de la întreruperea arcului, electrodul trebuie ridicat cât mai lent.
Pentru micşorarea deformaţiilor termice ale pieselor se recomandă sudarea cusăturilor relativ lungi prin realizarea sectorului v S "în pas de pelerin" sau "în salturi", prezentate în figurile 5.14 şi 5.15. În acelaşi scop, sudarea tablelor groase din oţeluri cu sudabilitate scăzută se realizează din cât mai multe treceri succesive, depunându-se la fiecare trecere câte un rând sau strat, cât mai subţire, astfel încât să se inducă în structura sudată tensiuni termice cât mai mici. După fiecare întrerupere a arcului se lasă un interval de timp pentru solidificarea zgurii, după care sudura se ciocăneşte cu ciocanul special şi apoi se curăţă cu peria de sârmă.
5.5.5. Stabilirea parametrilor regimului de sudare Stabilirea regimului de sudare constă în alegerea tipului şi a diametrului electrodului, a felului, polarităţii, intensităţii şi tensiunii curentului ca şi a vitezei de sudare. a. Tipul electrodului se alege dintre mărcile standardizate, în funcţie de calitatea materialului de bază, poziţia de sudare şi condiţiile generale de lucru (tipul sursei de curent disponibile, locul unde se desfăşoară lucrarea, condiţiile de depozitare şi uscare etc.) în conformitate cu cele prezentate în subcapitolul 5.5.2. Marca electrodului precizează caracteristicile mecanice ale metalului electrodului depus în cusătură, eventualele elemente de aliere ale acestuia, ca şi caracterul învelişului. Caracteristicile mecanice ale metalului depus sunt obligatoriu înscrise pe cutia de ambalaj a electrozilor. Pe ambalaj mai sunt date şi unele indicaţii de utilizare a electrozilor respectivi, privind tipul curentului, polaritatea acestuia, intensitatea în func ţie de grosimea materialului de bază şi altele. De obicei diametrul se alege pe baza grosimii materialului de sudat (tabelul 5.4).
Tabelul 5.4 Alegerea diametrului electrozilor la sudarea manuală cu are electric Grosimea materialului
descoperit
1…2
2…4
4…6
6…8
peste 8
2
2,5; 3,25
3,25; 4
4; 5
5; 6
de bază în mm d electrod, în mm b. Stabilirea valorii curentului de sudare se face corelat cu alegerea diametrului electrodului, în funcţie de grosimea metalului de bază supus sudării. De obicei, pentru sudarea oţelurilor cu conţinut mic de carbon, se folosesc relaţiile empirice: I S = 40 ⋅ d ⋅ CS ⋅ C p
[A ]
(5.4)
sau : I S = (4...5) ⋅ d ⋅ (d + 5) ⋅ CS ⋅ C p
(5.5)
În aceste relaţii, IS reprezintă intensitatea curentului de sudare, d - diametrul sârmei electrodului (mm), CS este un factor de corecţie ce ţine cont de corelaţia dintre grosimea tablei s şi diametrul sârmei electrodului d, iar CP este un factor ce ţine cont de poziţia de sudare. Dacă se execută cusături la care 1,5 d ≤ s ≤ 3 d, se utilizează valoarea CS = 1. La sudarea pe table verticale relaţia de mai sus se mic şorează cu 10...15 %, prin introducerea unui coeficient de corecţie C P = 0,9 ... 0,85, iar la sudarea pe plafon cu 15 ... 20 %, prin acordarea valorii corective CP = 0,85 ...0,8. Există şi alte metode şi relaţii de calcul al intensităţii curentului de sudare. Pentru toate cazurile, rezultă în sârma electrodului, având secţiunea Ae, densităţi de curent: I
=
IS Ae
= 8...30
[ A / mm 2 ]
(5.6)
Valorile orientative ale curentului recomandat pentru fiecare marc ă şi dimensiune de electrozi sunt indicate, de regulă, de producători pe cutiile în care sunt ambalaţi electrozii la livrare. Orice valoare a curentului de sudare implic ă o anumită tensiune a arcului, stabilită în fiecare moment prin intermediul caracteristicii externe a sursei de curent şi a lungimii momentane a arcului. c. Alegerea polarităţii se face ţinând cont că polul pozitiv se încălzeşte mai tare decât cel negativ. De aceea, polaritatea directă se va utiliza de obicei la sudarea tablelor groase, iar polaritatea inversă la sudarea tablelor subţiri, cu electrozi relativ, groşi, sau la sudarea cu electrozi bazici a oţelurilor cu conţinut mai mare de carbon sau de impurităţi. La stabilirea polarităţii se va ţine cont, în mod obligatoriu, de indicaţiile date de producătorul electrozilor utilizaţi, înscrise pe cutiile de ambalaj ale electrozilor. d. Alegerea vitezei de sudare se face astfel încât forma şi dimensiunile secţiunii transversale a cusăturii să corespundă cu cele prescrise, iar productivitatea sudării să fie maximă. Forma secţiunii transversale a cusăturii (fig. 5.16) trebuie să respecte anumite condiţii, atât în ceea ce priveşte lăţimea cusăturii B sau înălţimea acesteia H, cât şi în ceea ce priveşte raportul Cf, denumit coeficient de formă: B Cf = H
(5.7)
Fig. 5.16. Dimensiunile secţiunii transversale a sudurii În caz contrar, rezistenţa structurii sudate poate fi periclitată. Corelarea corectă a parametrilor regimului de sudare şi constanţa lor sunt foarte importante pentru realizarea unei cusături fără defecte de structură sau de natură geometrică. Se constată că geometria secţiunii transversale a sudurii (fig. 5.16) este influenţată de valorile parametrilor regimului de sudare, astfel : - lăţimea B a sudurii creşte odată cu creşterea tensiunii arcului şi scade odată cu creşterea vitezei de sudare ; - adâncimea de pătrundere h, supraînălţarea h1 şi deci şi înălţimea cusăturii H cresc odată cu creşterea intensităţii curentului şi scad odată cu creşterea tensiunii şi a vitezei de sudare. La sudarea oţelurilor de construcţie având conţinut mic de carbon, energia liniar ă calculată cu relaţia (5.3) trebuie să aibă valorile orientative : El = 7.000 . . . 11.000 J/cm la folosirea electrozilor cu diametrul d = 3,25 mm, El = 9.000 . . . 13.000 J/cm pentru d = 4 mm, El = 11.000 ... 18.000 J/cm pentru d = 5 mm, şi El = 13.000 ... 20.000 J/cm pentru d = 6 mm. Corelarea corectă a intensităţii cu diametrul şi tipul electrodului, cu poziţia de sudare şi cu polaritatea au implicaţii şi în ceea ce priveşte eficacitatea transferului de metal de la electrod spre piesă, deci în ceea ce priveşte randamentul sudării şi al folosirii energiei consumate la sudare. Cantitatea ml de metal topit de arcul electric este direct propor ţională cu intensitatea IS a curentului de sudare şi cu timpul de menţinere al arcului, t : m l = C l ⋅ IS ⋅ t
[g ]
(5.8)
În condiţiile exprimării curentului de sudare în A şi a timpului de sudare în ore, coeficientul de proporţionalitate Ct din relaţia (5.8) se exprimă în g/A·oră şi se numeşte coeficient de topire al metalului la sudare. De multe ori interesează numai masa netă a electrodului topit în arcul electric. Pentru aceste cazuri se ia în consideraţie un coeficient de topire al electrodului Ct; m l = Cl ⋅ IS ⋅ t
(5.9)
Metalul topit din electrod este înglobat în cusătura sudată. Masa metalului depus md este, de asemenea, proporţională cu timpul şi cu intensitatea curentului de sudare: m d = C d ⋅ I S ⋅ t [g ]
(5.10)
rezultând un coeficient de topire al metalului la sudare Cd, astfel încât: Cd =
md [g / A ⋅ h ] IS ⋅ t
(5.11)
În general, la sudarea cu arc electric se poate considera că există relaţiile: C te = (0,6...0,85) ⋅ C l C d = (0,85...0,99) ⋅ C te
(5.12) (5.13)
Diferenţele dintre masa electrodului topit şi masa metalului depus constituie pierderi prin stropiri, prin vaporizare sau prin componente evacuate în zgură. Din relaţia (5.13) rezultă că pierderile de metal au valorile ψ = 1 … 15% din totalul metalului de adaos topit, întrucât:
ψ = (C ld − C d ) ⋅100 = (m et − m d ) ⋅100 [%]
(5.14)
La sudarea cu electrozi înveliţi pierderile sunt maxime în cazul folosirii unor curenţi de sudare mari şi, mai ales, la realizarea cusăturilor de poziţie.
5.5.6. Dezavantajele procedeului şi metode de combatere a acestora Sudarea manuală cu arc electric prezintă dezavantajul unei productivităţi scăzute, mai ales în cazul sudării tablelor groase, când sunt necesare mai multe treceri. Pe lângă aceasta, calitatea scăzută a cusăturii sudate şi dependenţa ei de calificarea, conştiinciozitatea şi starea muncitorului, sunt alte dezavantaje, la care se adaug ă un coeficient mare de pierderi de metal prin stropi, în cazul utilizării curenţilor mari, din dorinţa creşterii productivităţii sudării. Pentru combaterea acestor dezavantaje ale sudării clasice cu electrozi înveliţi, în cazurile în care este posibil, se apelează fie la utilizarea procedeului de sudare automată sub strat de flux sau în mediu protector de gaze, fie la variante semiautomate de sudare cu electrozi înveli i, a a cum este de exemplu sudarea cu electrod culcat (fig. 5.17).
ţ
ş
Fig. 5.17. Sudarea cu electrod culcat : 1 - piesele de sudat ; 2 - electrod ; 3 - placă de cupru răcită cu apă.
5.6. Sudarea cu arc electric sub strat de flux 5.6.1. Modul operator la sudarea sub flux Sudarea cu arc electric sub strat de flux se caracterizeaz ă prin următoarele elemente (fig. 5. 18): - arcul electric este acoperit de un material fuzibil granular, denumit flux pentru sudare şi având compoziţii chimice asemănătoare cu cele ale învelişului electrozilor folosiţi la sudarea manuală cu arc ; - electrodul este continuu, fiind practic, o sârmă-electrod, înfăşurată sub formă de colac, care este pusă în mişcare de avans de către un mecanism cu role, ce o oblig ă să treacă printr-o bucşă de contact electric cu circuitul de sudare; - deplasarea relativă a arcului faţă de piesele de sudat (în lungul cus ăturii) se realizează, de regulă automat şi uneori manual, astfel că sudarea se poate face automat, respectiv semiautomat, folosindu-se în acest scop un cap de sudare automată (respectiv semiautomată) pentru sudarea sub strat de flux; - nu se utilizează mişcări de pendulare a arcului ( v P = 0 ).
Fig. 5.18. Modul operator la sudarea sub flux: 1 - sârma-electrod; 2 - capul de sudare sub flux; 3 - caseta sârmei-electrod; 4 - role pentru realizarea mişcării de avans, având viteza va ; 5 - bucşa de contact electric ; 6 – rezervor (buncăr) cu flux ; 7 – metalul de bază ; 8 - sursa de curent pentru sudare.
Fig. 5.19. Formarea cusăturii sudate sub flux Modul de realizare a cusăturii sudate este prezentat în figura 5.19. Arcul electric 1 topeşte simultan metalul de bază 2, sârma-electrod 3 şi o parte din fluxul 4. Se formează o bulă de gaze 5, străbătută de particulele metalului topit. Acestea realizează o baie lichidă 6, acoperită de zgura 7, ce provine atât din topirea fluxului, cât şi din reacţiile de dezoxidare din baia de metal topit, similare cu cele ce au loc la elaborarea oţelului în cuptoare cu arc electric.
Prin solidificarea treptată a băii 6 se formează cusătura sudată 8, acoperită de un strat de zgură solidificată 9. Baia de metal topit este sus ţinută şi protejată, la rădăcină, de o garnitură metalică 10, executată din cupru sau oţel.
5.6.2. Sisteme de reglare a lungimii arcului. Pentru realizarea unei cusături de calitate, la sudarea sub flux este necesar ă asigurarea unei constanţe cât mai mari a lungimii arcului electric. În func ţie de lungimea arcului variază tensiunea de sudare, iar în funcţie de aceasta variază intensitatea curentului de sudare. Variaţiile în timp ale curentului de sudare se traduc imediat în varia ţii ale cantităţii de metal topit în unitatea de timp, deci în variaţii ale formei şi dimensiunilor secţiunii transversale a cusăturii realizate. Există două tipuri principale de instalaţii, în funcţie de sistemul de reglare a lungimii constante a arcului, astfel: - instalaţiile de sudare automată cu viteză de avans constantă (fig. 5.20, a) realizează avansarea sârmei cu ajutorul unui motor electric asincron (având turaţie constantă) MEA, prin intermediul unui reductor de turaţie R şi al unor roţi dinţate de schimb RS. La o modificare a lungimii arcului l, de exemplu la creşterea ei de la l1 la l2, (fig. 5.20 b), se produce următoarea serie de interacţiuni între aceasta şi tensiunea de sudare Ua, curentul de sudare IS, c ăldura degajată în arc Q şi viteza de topire a sârmei vT. l
Ua
IS
Q
vT
l şi invers.
Se obţine aşadar un efect invers al fenomenului iniţial, în sensul că dacă lungimea arcului a crescut la un moment dat, prin autoreglare ea revine rapid la valoarea iniţială. Pentru a se obţine un efect de autoreglare cât mai rapid, se folosesc surse de curent cu caracteristic ă externă cu pantă mai mică, astfel încât pentru o anumit ă valoare a lungimii arcului să corespundă o valoare mare a variaţiei de intensitate ΔI.
Fig. 5.20. Reglarea automată a lungimii arcului, cu viteza constantă a sârmei : a - componenţa instalaţiei; M.E.A. - motor electric asincron; R - reductor; R.S. - roţi de schimb (interschimbabile) ; l - lungimea arcului ; b - variaţia vitezei de topire a sârmei v T, corelată cu lungimea arcului t şi cu viteza de avans va. - Instalaţiile de sudare automată cu viteză de avans variabilă realizează avansarea sârmei cu ajutorul unui motor electric de curent continuu MCC, (cu turaţie variabilă), alimentat de un generator de curent continuu GCC, care are o înfăşurare de excitaţie IE legată în paralel cu arcul electric (fig. 5.21). Turaţia motorului MCC este variabilă în funcţie de valoarea tensiunii la bornele înfăşurării de excitaţie, deci, variaţiile lungimii arcului sunt percepute de această înfăşurare ca variaţii de tensiune şi transformator în variaţii de viteză de avans, care restabilesc lungimea arcului, după schema: l
Ua
va
l
şi invers.
Pentru a obţine o sensibilitate mare a sistemului de reglare se folosesc surse de curent pentru sudare având caracteristică externă cu pantă mare, astfel încât pentru o anumit ă variaţie a lungimii arcului să corespundă o variaţie cât mal mare a tensiunii arcului ΔU.
5.6.3. Materiale utilizate la sudarea sub strat de flux.
Fig. 5.21. Schema reglării automate a lungimii arcului folosind viteza de avans variabilă Sârma-electrod utilizată la sudarea oţelurilor se fabrică din oţel carbon sau slab aliat, având conţinut mic de carbon şi fiind cuprată în vederea îmbunătăţirii contactului electric în circuitul de sudare. Ea este standardizată prin STAS 1126-80 în mai multe mărci comerciale. Fluxul este un amestec granular de substanţe naturale, prelucrate industrial sau în condiţii de laborator, conţinând în esenţă substanţele minerale întâlnite în compoziţia electrozilor: MnO, CaCO3, CaF2, FeO, Fe2O3, Al2O3, MgO, TiO2, ca şi eventuale elemente de aliere şi de adaos. Fluxul are un rol foarte important asupra caracterului acid sau bazic al proceselor metalurgice din baia de sudare. Acest caracter este determinat, mai ales, de compozi ţia chimică a fluxului, ce poate fi: acidă, neutră sau bazică. De aici rezultă o anumită capacitate de dezoxidare a băii, cât şi o anumită capacitate de eliminare în zgură a impurităţilor. Cel mai des se folosesc două feluri de fluxuri, deosebite prin modul de fabricare: fluxurile topite şi fluxurile aglomerate. Primele au o răspândire mai largă în industrie. Ele au culoare brun ă în diverse nuanţe şi aspect sticlos, fabricându-se pe baza topirii împreun ă a componentelor şi a granulării amestecului solidificat, după răcire. Fluxurile ceramice se produc de obicei în cantităţi mici prin amestecarea mecanică a componentelor măcinate în prealabil, prăjirea fără topire a amestecului şi granularea lui, la fel ca şi în cazul aglomerării minereurilor. În procesul de fabricare li se pot adăuga în compoziţie elementele de aliere dorite. Fluxurile ceramice au culoarea cenuşiu-deschis, cu aspect mat. În cazul sudării oţelurilor aliate, pentru compensarea pierderilor de elemente de aliere prin ardere, între tipul fluxului şi cel al sârmei folosite exist ă o legătură directă şi anume : - dacă se sudează cu flux topit, sârma este aliată;
- dacă se sudează cu flux ceramic, conţinând elemente de aliere, sârma este din oţel carbon.
Tabelul 5.5 Indicaţii privind alegerea cuplului sârmă-flux Nr.
Tipul oţelului
Tipul sârmei
Tipul fluxului
Observaţii
crt. 1
2
3
Oţel carbon sau slab, cu Oţel carbon sau oţel slab
Flux acid, neutru,
-
sudabilitate bună
aliat cu Mn (de ex. marca bazic (de ex.
necondiţionată (de ex. marca OLC 10).
S 10 Mn 2)
marca FSM 37)
Oţel carbon sau slab
Oţel carbon sau slab
Flux neutru sau
aliat, cu sudabilitate
aliat, cu sudabilitate bună bazic (de ex.
sudarea tablelor
bună condiţionată (de
condiţionată (de ex.
groase în mai
ex. marca OCS 58)
marca S 10 Mn 1 Ni 1)
Oţeluri carbon sau
Oţel aliat (de ex. marca S Flux bazic (de ex. Sudarea sub flux
aliate (inclusiv oţeluri
40 Cr Mn 1 Si 1)
marca FB 20).
Se recomandă la
multe straturi. marca FB 10)
nerecomandată.
de scule) cu sudabilitate
Se preferă
scăzută.
sudarea în mediu protector de gaze, în straturi subţiri.
În tabelul 5.5 se dau unele indicaţii privind alegerea cuplului sârmă flux pentru sudarea câtorva mărci de oţeluri.
5.6.4. Particularităţi tehnologice. Pregătirea marginilor pieselor de sudat se practică la sudarea manuală cu arc electric dar diferă faţă de aceea care se practică la sudarea manuală cu arc electric descoperit, în sensul că la prelucrarea lor se ţine seama că pătrunderea este mult mai mare datorită posibilităţii utilizării curenţilor mai mari, astfel că rosturile au unghiuri mai mici, de regulă cuprinse între 35° şi 55°, iar rosturile în I se utilizează în mod frecvent la grosimi de table de peste 10 ... 11 mm. De cele mai multe ori se utilizeaz ă sudarea pe o singură parte, dintr-o singură trecere, ceea ce asigură obţinerea unei productivităţi foarte ridicate în comparaţie cu sudarea manuală. În plus, se obţin importante economii de material de bază şi de adaos, datorită necesităţii umplerii unor rosturi cu secţiuni transversale relativ mici faţă de grosimea tablelor de sudat, ca şi datorită pierderilor neglijabile prin stropi. În schimb, piesele trebuie pozi ţionate foarte precis, de
regulă cu ajutorul unor dispozitive, astfel încât să fie diminuate la limită orice denivelări ale marginilor. Pentru protecţia rădăcinii cusăturilor şi pentru susţinerea băii de metal topit pe partea opus ă aceleia în care arde arcul electric se plasează anticipat fie garnituri (fig. 5.19, şi fig. 5.22, c), fie perne de flux (fig. 5.22, a şi b).
Fig. 5.22. Realizarea protecţiei rădăcinii cusăturilor sudate : 1 - piesele de sudat ; 2 - flux ; 3 - profile ; 4 - tub flexibil ; 5 - garnitur ă din oţel sau cupru. Îmbinările realizate prin sudare automată sub strat de flux sunt îmbin ări cap la cap sau în unghi, situate în plan orizontal. Volumul relativ mare al b ăii de metal topit nu permite realizarea unor cusături cu o înclinaţie mai mare de 10°. O excepţie o face realizarea unor suduri circulare în plan vertical, lucrare întâlnită frecvent la sudarea virolelor şi capacelor recipienţilor cilindrici utilizaţi în industria chimică sau la construcţia vagoanelor cisternă (fig. 5.23). Întrucât de obicei tablele au grosimi relativ mari, se face o sudare pe ambele p ărţi, cu pregătire în X.
5.6.5. Stabilirea parametrilor regimului de sudare Alegerea parametrilor regimului de lucru la sudarea automată sub strat de flux are o importanţă deosebită în obţinerea unei calităţi superioare a îmbinării sudate. După alegerea lor, parametrii se verifică, de obicei prin încercări de laborator.
Fig. 5.23 Sudarea recipienţilor din tablă : a - recipient ; b - schema sudării ; 1 – virolă ; 2 - capace ; 3 - suduri circulare ; 4 - role de antrenare.
a. Cuplul sârma-flux. Sârma electrod şi fluxul se aleg dintre mărcile şi dimensiunile de fabricaţie uzuale, în conformitate cu cele precizate la subcapitolul 5.4.3. De obicei, compoziţia chimică este asemănătoare cu cea a materialului de bază, dar stabilită astfel ca rezistenţa cusăturii să fie cel puţin egală cu cea a metalului de bază. Diametrul se alege în funcţie de grosimea pieselor de îmbinat, conform tabelului 5.6.
Tabelul 5.6 Alegerea diametrului sârmei-electrod la sudarea automată sub strat ce flux Grosimea tablei s, în mm.
2… 4
4 …1 0
6…14 14…20
Observa
ţii
Diametrul sârmei-
2
3
4
5
La sudarea cu regimuri normale
electrod, în mm.
3
4
5
6
La sudura cu regimuri dure
b. Înălţimea straturilor de metal depus. De cele mai multe ori sudarea se face dintr-o singură trecere, sau din două treceri, pe o parte sau pe ambele părţi. Înălţimea HS a fiecărui strat se calculează astfel (fig. 5.24 a). - pentru sudarea dintr-o parte: HS = K ⋅ s
[mm]
(5.15)
în care : K = 1,05 ... 1,1 pentru sudarea pe pernă de flux sau garnitură de cupru; K = 0,75 ... 0,9 pentru sudarea fără pernă;
Fig. 5.24. Stabilirea regimului de sudare : a - elementele geometrice ale secţiunii cusăturii; b - alegerea curentului de sudare corelat cu diametrul sârmei-electrod; c - alegerea curentului de sudare corelat cu diametrul sârmei şi viteza de topire a acesteia.
- pentru sudarea din ambele părţi : s H S = + (2...3) [mm] 2
(5.16)
c. Intensitatea curentului de sudare IS se poate stabili ştiind că pentru fiecare 1 mm pătrundere sunt necesari circa (70 ... 80) amperi : I S = (70...80)H S [A]
(5.17)
Intensitatea curentului de sudare se corelează cu diametrul sârmei-electrod, folosind diagrama din figura 5.24 b, sau diagramele din figura 5.24 c, în care se prezint ă variaţiile reciproce ale curentului de sudare, diametrului sârmei-electrod şi vitezei de topire a sârmei. Se recomandă intensităţi care asigură densităţi de curent în sârma-electrod de 50÷100A/mm2. Coeficientul de formă CF, al secţiunii transversale a cusăturii sudate variază invers proporţional faţă de intensitate.
d. Viteza de avans a sârmei este aproximativ egală cu viteza de topire a acesteia şi se poate alege din diagrama prezentată în figura 5.24, c. Ea influen ţează adâncimea de pătrundere şi este în legătură strânsă cu tensiunea de sudare. În momentele când viteza de avans a sârmei este mai mică decât viteza de topire, lungimea arcului creşte şi invers (v. subcapitolul 5.4.2.).
e. Tensiunea arcului, corelată cu viteza de topire a sârmei, permite controlarea stabilităţii arcului electric. Totodată ea influenţează asupra adâncimii de pătrundere, care are o variaţie în sens contrar cu tensiunea arcului. De obicei, la stabilirea tensiunii de sudare sub flux Ua, se utilizează relaţia: U a = 22 + 0,02 ⋅ IS [V]
(5.18)
Creşterea tensiunii de sudare conduce la scăderea pătrunderii şi la creşterea cantităţii de flux topit, însoţită de o uşoară lăţire a cusăturii.
f. Viteza de sudare influenţează direct asupra productivităţii sudării, ca şi asupra formei cusăturii sudate. Cu cât viteza de sudare este mai mică lăţimea cusăturii este mai mare. Viteza de sudare influenţează şi adâncimea de pătrundere, mai ales pentru valori până la 40 m/oră; în prima jumătate a intervalului pătrunderea creşte cu 5 ... 6 %, iar de la 20 la 40 m/h pătrunderea scade cu 5 ... 6 %. Uzual, pentru sudarea tablelor cu grosimi de 2 ... 8 mm se folosesc viteze de sudare cuprinse între 50 şi 25 m/oră, iar pentru table de 8...40 mm se folosesc viteze de sudare de circa 25 ... 15 m/oră. Cu cât grosimea tablelor creşte, cu atât viteza de sudare scade, avându-se în vederea asigurării unei anumite energii degajate pe unitatea de lungime şi astfel, să se asigure o anumită pătrundere, înălţime şi lăţime a cusăturii sudate.
Pe baza acestor considerente, se ajunge la noţiunea de energie liniară E dată de relaţia (5.3), în care randamentul transferului de căldură spre metalul de bază η = 0,85 ... 0,9. Această energie trebuie să aibă următoarele valori: 30.000 ... 40.000 J/cm pentru o ţeluri carbon, 20.000 ... 30.000 J/cm pentru oţeluri slab aliate şi 15.000 ... 20.000 J/cm pentru o ţeluri sensibile la fisurare (cu mult carbon sau cu elemente de aliere ce măresc călibilitatea). În cazul în care energia liniară calculată nu se încadrează în limitele prescrise, trebuie modificaţi în mod corespunzător parametrii regimului de sudare.
Fig. 5.25. încărcarea prin sudare cu bandă-electrod : M - motor electric ; R - reductor ; C - cuplaj ; R.A - roţi de acţionare ; BE - bandă-electrod ; SCS - sursa de curent pentru sudare ; v S – viteza de sudare : va - viteza de avans a benzii.
5.6.6. Procedee de sudare sub flux, cu productivitate m ărită. Dintre aceste procedee remarcăm următoarele : - sudarea cu bandă-electrod prezentată în figura 5.25 se utilizează, mai ales, ca procedeu de încărcare prin sudare, în scopul obţinerii unor piese placate cu straturi superficiale din materiale speciale sau în scopul recondiţionării unor suprafeţe uzate ale pieselor. Banda este laminat ă la rece, la secţiuni de 50x0,5 mm sau 25x0,5 mm. Uneori se folosesc două benzi, dintre care numai una joacă şi rol de electrod în arcul electric: - sudarea cu mai multe arce (fig. 5.26). În scopul măririi productivităţii sudării se pot utiliza mai multe arce simultane, lucrându-se după una din următoarele scheme: cu arce separate (a), cu arce lucrând în aceeaşi cavitate în serie – (b) sau independente – (c), sau cu arce gemene (d).
Fig. 5.26. Sudarea cu mai multe sârme-electrod : a - sudarea cu arcuri separate ; b - sudarea cu sârme (cu arcuri) în serie ; c - sudarea cu arcuri independente in aceeaşi baie; d - sudarea cu arcuri gemene; S, S 1, S2 - surse de curent ; MB - metalul de bază ; vS - viteza de sudare ; v a1, va2 - vitezele de avans ale sârmelor.
5.6.7. Sudarea semiautomată sub flux. Modul operator al sudării semiautomate sub flux este dat în figura 5.27, a. Sudarea semiautomată sub flux se foloseşte la cusături de lungimi mai mici, în locuri greu accesibile sau cu traiectorii curbe. Se folosesc sârme cu diametrul de 1,2; 1,6; 2 mm şi densităţi mari de curent, rezultând curenţi de sudare IS = 350 ... 600 A. Se pot realiza îmbin ări cap la cap sau în unghi. În general, pentru a se u şura observarea zonei de formare a cusăturii se utilizează "sudarea spre înapoi", cu ajutorul unui cap semiautomat de sudare sub flux, dirijat de sudor cu viteza de sudare v S . Sârma-electrod este împinsă spre capul de sudare printr-un tub flexibil multifunc ţional, având construcţia dată în figura 5.27, b.
Fig. 5.27. Sudarea semiautomată sub flux : a - tehnica operatorie ; b - tubul flexibil multifuncţional ; MB - metalul de bază : MA - metalul de adaos ; RF - rezervor de flux ; M - mâner de dirijare ; CM - cablu multifuncţional ; K - întrerupătorul mişcării de avans ; va - viteza de avans ; v - viteza de sudare ; 1 - sârma-electrod; 2 - are elicoidal; 3 - izolaţie; 4 - conductoarele circuitului de sudare; 5 - conductoarele circuitului de comandă a mişcării de avans; 6 - izolaţia exterioară. Procedeul prezintă dezavantajul imposibilităţii observării directe a băii de metal topit, în condiţiile neasigurării unei viteze de avans constante, ceea ce poate duce la apari ţia unor defecte în cusătura sudată.
5.6.8. Sudarea sub flux pe verticală Rezolvarea acestei probleme se face prin măsuri cu totul speciale, privind susţinerea băii de sudare si a fluxului, cu ajutorul unor garnituri metalice şi al unor role, care îmbracă de jur împrejur rostul, în momentul sudării. În figura 5.28 se prezint ă alte soluţii ale acestei probleme: utilizarea unei sârme tubulare, din bandă îndoită, conţinând flux la interior (a) sau folosirea unui flux magnetic metalo-ceramic (b), care se magnetizează şi se strânge în jurul sârmei-electrod, la trecerea prin aceasta a curentului de sudare. Aceste fluxuri se topesc şi în cea mai mare parte ard în arcul electric asigurând practic protecţia arcului prin intermediul gazelor rezultate din ardere. Sudarea sub strat de flux se aplică pe o scară foarte largă în producţia de serie a structurilor sudate din table groase, mai ales la lungimi relativ mari ale cusăturilor. Ea foloseşte instalaţii relativ scumpe, dar care asigură o calitate foarte bună a sudurii şi o productivitate, în unele cazuri, de peste 10 ori mai mari decât cea a sudării manuale cu electrozi înveliţi, la preţuri avantajoase.
Fig. 5.28. Materiale speciale pentru sudarea sub flux : a - sârmă-electrod tubulară cu flux în interior ; b - sârmă acoperită local cu flux magnetic; 1 - sârma; 2 - fluxul.
Fig. 5.29. Schema sudării cu hidrogen atomic.
Fig. 30. Schema sudării cu arc electric în mediu de CO 2 5.7. Sudarea cu arc electric în mediu protector de gaze 5.7.1. Clasificare Aceste procedee utilizează energia termică a unui arc electric ce arde într-o atmosferă gazoasă protectoare, care împiedică pătrunderea în cusătură a oxigenului şi azotului. În acest scop se folosesc fie gaze active (H 2, CH4, CO2), fie gaze inerte (Ar, Ne). Gazele sunt trimise cu suprapresiune în jurul arcului electric.
În funcţie de felul gazului protector folosit şi al materialului electrodului (fuzibil sau nefuzibil), rezultă următoarea clasificare a procedeelor de sudare cu are electric în mediu protector de gaze : - în gaze active - sudare cu electrod fuzibil
- în gaze inerte (şi amestecuri) - cu hidrogen atomic
- sudare cu electrod nefuzibil
- în gaze inerte (şi amestecuri)
5.7.1.1. Sudarea cu hidrogen atomic (arc-atom). Se foloseşte ca gaz protector hidrogenul ce protejează un arc electric cu acţiune indirectă produs între doi electrozi din wolfram 1 (fig. 5.29). Pentru alimentarea arcului se foloseşte curentul alternativ cu tensiune mare (220 ... 300 V la amorsare şi 30 ... 120 V în timpul sudării) şi intensitate relativ mică: 10 ... 70 A. Din cauza tensiunilor ridicate de lucru şi a costului ridicat al gazului şi instalaţiei, folosirea procedeului este limitată, utilizându-se relativ rar; la sudarea sau repararea unor piese din aliaje neferoase sau oţeluri bogat aliate.
5.7.1.2. Sudarea cu arc electric în mediu protector, cu electrod fuzibil Gazele protectoare folosite pot fi: bioxidul de carbon sau argonul.
a. Sudarea cu arc electric în mediu de bioxid de carbon. Procedeul, cunoscut şi sub denumirea de procedeu MAG (Metal Activ Gas) foloseşte schema de principiu din figura 5.30. Arcul electric cu acţiune directă, produs între sârma-electrod 1 şi metalul pieselor 2, este protejat de către bioxidul de carbon ce iese din ajutajul 3. Sudarea se realizează în curent continuu cu polaritate inversă. La temperatura înaltă atinsă în arcul electric bioxidul de carbon se disociază altfel: CO 2
CO+½ O
2
(5.19)
Oxigenul atomic rezultat din disocierea bioxidului de carbon are o puternică acţiune oxidantă asupra elementelor componente ale materialului sudat. În baia de metal topit se vor produce pe lângă reacţiile de oxidare şi reacţii de reducere a oxizilor formaţi. Compuşii rezultaţi pot ieşi în aer (CO) sau trec în zgură (MnO, SiO2). Întrucât în cazul oţelurilor siliciul şi manganul participă intens la aceste reacţii, consumându-se, este necesar ca sârma folosită să fie aliată cu aceste elemente. Sudarea în mediu protector de CO, se aplică oţelurilor carbon sau slab aliate. Procedeul prezintă ca principale avantaje: productivitate ridicată, cost scăzut al bioxidului de
carbon, posibilitatea executării sudurilor de poziţie, vizibilitatea arcului electric etc. Principalul dezavantaj al procedeului îl constituie posibilitatea apariţiei defectelor de sudare. De cele mai multe ori, procedeul se foloseşte în varianta semiautomată. În acest caz sârmaelectrod este atât trasă cât şi împinsă (de nişte role acţionate de turbine cu aer comprimat), printr-un tub flexibil multifuncţional (fig. 5.31).
Fig. 5.31. Sudarea cu electrod metalic, în gaze protectoare (procedeele MIG şi MAG) : a - modul operator ; MB - metalul de bază ; SE - sârma-electrod ; CSE - caseta sârmei-electrod ; GP - gazul de protecţie ; BC - bucşa de contact electric ; RA - role de acţionare ; v S - viteza de sudare ; v a - viteza de avans a sârmei ; v p - viteza de pendulare (folosit ă eventual) ; b - tubul multifuncţional : 1 - înveliş exterior ; 2 - cablu de sudare, multifilar, tubular ; 3 - tub flexibil izolant ; 4 - sârma-electrod. Sârma folosită frecvent are diametre mici şi este antrenată în mişcare de avans cu viteză constantă, stabilită astfel încât viteza de topire să fie egală cu viteza de avans. Valorile curentului de sudare sunt relativ mari. Raportate la sec ţiunile mici ale sârmei ele conduc la densităţi mari de curent, ceea ce implică arderea arcului în zona crescătoare a caracteristicii lui statice. În aceste condiţii este avantajoasă folosirea unor surse de curent cu caracteristica externă rigidă sau chiar uşor urcătoare, avantajul derivând din considerente similare celor prezentate în capitolul 5.5.2 şi figura 5.6. Cu cât sârma-electrod este mai subţire, cu atât efectul de autoreglare a stabilităţii lungimii arcului este mai pronunţat. Modul de transfer al metalului de adaos. Transferul particulelor de metal de adaos de la sârmă la baia de metal topit se face în 3 moduri diferite: cu transfer fin, cu arc scurt sau cu curent pulsator. Procedeul de sudare cu transfer fin foloseşte un arc relativ lung, şi curenţi mari. Metalul topit este transferat din capătul sârmei electrod către baia de sudare, sub formă de picături fine, fără a se scurtcircuita arcul electric: -
Aspectul sudurii depinde de intensitatea curentului, care stabile şte numărul de picături formate
în unitatea de timp. Se ob ţin depuneri suficient de uniforme, cu condiţia ca numărul de picături să fie de cel puţin 20/sec. -
Densitatea mare de curent face ca baia de sudur ă să aibă secţiune mare, ceea ce limitează folosirea procedeului la sudarea în plan orizontal sau cel mult u şor înclinat, iar pătrunderea mare implică, uneori, necesitatea utilizării unor sisteme de susţinere a băii. Ca urmare, folosirea practică a sudării cu transfer fin este limitat ă la executarea îmbinărilor
în unghi (baia e susţinută de însăşi piesele sudate) sau la realizarea unor îmbinări cap la cap, la care rădăcina a fost sudată cu o altă metodă.
Sudarea cu arc scurt. În acest caz, arcul electric este men ţinut scurt, în mod voit. Picătura ce se formează în capătul sârmei-electrod intră în contact cu baia de metal topit. Se produce astfel un scurtcircuit, care impune generatorului debitarea unui curent cu intensitate sporit ă, al cărui efect e concretizat în tăierea punţii metalice de legătură a picăturii cu sârma. Apoi ciclul se repetă. Tensiunea optimă este 15 ... 20 V. Frecvenţa picăturilor este cu atât mai mare, cu cât sârma este mai subţire. Întrucât se lucrează cu curenţi relativ mici, metoda se aplică cu succes la sudarea iniţială a rădăcinii. Trecerea de la regimul de lucru cu arc scurt la cel cu transfer fin se realizeaz ă, de regulă, la un curent de circa 175 ... 300 A, în funcţie de diametrul sârmei şi la tensiuni de sudare de 20...25 V, după cum rezultă din figura 5.32.
Fig. 5.32. Transferul metalului de adaos spre cus ătură : a - corelaţia cu valorile curenţilor şi tensiunilor de sudare; b - corelaţia cu viteza de avans, curentul de sudare şi diametrul sârmei-electrod. Acest prag se numeşte "curent critic". Curentul critic este mai mic pentru diametre de sârm ă mici şi creşte odată cu creşterea acestuia, până la valorile maxime indicate. Curentul critic este dependent de gazul protector folosit.
Sudarea cu arc pulsator. La acest procedeu se foloseşte un curent ce alimentează arcul în mod permanent, favorizând topirea extremităţii electrodului, dar fără să fie capabil să realizeze o tăiere sistematică şi regulată a picăturilor, ca urmare a câmpului s ău electro-dinamic. Desprinderea picăturilor este încredinţată unui al doilea curent, lansat în intervale regulate şi capabil de a realiza separarea picăturilor. Se creează posibilitatea de a interveni în frecven ţa picăturilor, care este stabilită de frecvenţa impulsurilor curentului pulsant. Acest procedeu realizează o m ărire artificială a frecvenţei de formare a picăturilor, fără a se ajunge la stingerea arcului, cum se întâmplă uneori în cazul precedent. Procedeul poate fi folosit la sudarea materialelor subţiri, orizontale şi de poziţie, fiind evident necesară o sursă de curent specială.
b. Procedeul MIG. Tehnica operatorie folosită la procedeul MIG (Metal Inert Gas) este identică cu cea a procedeului MAG (v. fig. 5.31), cu deosebirea că gazul de protecţie utilizat cel mai des este argonul. El oferă o bună protecţie a arcului, favorizând transferul metalului sub form ă de particule foarte fine, într-un arc electric foarte concentrat din punct de vedere termic, care favorizează o p ătrundere mare numai pe o lăţime mică a b ăii. Lăţirea zonei de pătrundere se poate realiza prin adăugarea de circa 5 % O2 în amestec cu argonul, concomitent cu folosirea unor sârme conţinând cantităţi mai mari de dezoxidanţi (Si sau Mn). Argonul asigură productivităţi mari ale depunerii metalului de adaos, permiţând, în acelaşi timp, obţinerea unor cusături netede şi uniforme. Procedeul se aplică frecvent la sudarea oţelurilor aliate şi inoxidabile, ca şi la sudarea metalelor neferoase (Cu, Al, Ni etc.) şi a aliajelor lor, utilizându-se mai rar la sudarea otelurilor carbon (numai la cusături de poziţie şi la oţeluri cu conţinut ridicat de carbon). La sudarea oţelurilor carbon se poate adăuga până la 25% O2, iar la sudarea oţelurilor aliate adaosul de oxigen poate fi până la 2%. La sudarea aliajelor pe bază de Al, Mg, Ti şi Cu, care se oxidează uşor, este exclusă folosirea oxigenului, iar argonul folosit trebuie să aibă o puritate foarte mare. În caz contrar se produc defecte ale cusăturii sudate. În unele ţări în loc de argon se foloseşte heliul extrăgându-se de regulă din zăcăminte, asemenea gazului metan. Acesta conduce la lăţimi mai mari în profunzimea cus ăturii sudate şi în general, în Europa este mai rar şi mai scump decât argonul. La sudarea în gaze inerte nu se formeaz ă zgură deasupra cusăturii sudate, ceea ce permite observarea uşoară a procesului de sudare şi deci creşterea vitezelor de sudare. La rândul ei, aceasta permite lucrul cu energii liniare mici, care determină aplicabilitatea procedeelor de sudare în gaze inerte la realizarea structurilor sudate din materiale având chiar sudabilitate foarte scăzută.
c. Parametrii regimului de sudare prin procedeele MAG şi MIG sunt: procedeul de transfer al metalului de adaos, intensitatea curentului de sudare, tensiunea arcului, viteza de avans a
sârmei şi diametrul acesteia, geometria secţiunii transversale a rostului, debitul de gaz de protecţie şi
compoziţia chimică a acestuia etc. Unele corela ţii ale acestora au fost prezentate în figura 5.32 iar
altele se prezintă în figura 5.33. Sârmele cel mai des utilizate au diametrele: 0,8 ; 1 ; 1,2 ; 1,6 mm şi o compoziţie chimică asemănătoare cu cea a metalului de bază, cu precizările menţionate anterior. Uneori dezoxidanţii se plasează în interiorul sârmelor (v. fig. 5.28, a). Diametrul sârmelor obişnuite se alege proporţional cu grosimea pieselor de sudat şi cu sudabilitatea metalului de bază.
Fig. 5.33. Corelaţia dintre curentul de sudare şi viteza de avans a sârmei : a - în cazul procedeului MAG ; b - în cazul procedeului MIG. Pentru procedeul MIG, intensitatea curentului de sudare se poate alege conform tabelului 5.7, iar valorile tensiunii de sudare se pot alege orientativ din tabelul 5.8.
Tabelul 5.7 Curentul de sudare de,
IS, în A
în mm
transfer fin
arc scurt
0,6
130
50
0,8
160
70
l,0
180
80
1,2 1,6
200 275
100 175
2,4
300
250
Tabelul 5.8 Valorile tensiunii de sudare U, [V] Materialul de bază
de = 1,6 mm
de = 0,9 mm
transfer fin
arc scurt
aluminiu
25
19
oţel carbon
28
17
oţeluri slab aliate oteluri inoxidabile
28 26
17 18
Creşterea intensităţii determină mărirea adâncimii de pătrundere şi scăderea uşoară a lăţimii cusăturii, iar creşterea tensiunii duce la o uşoară mărire a lăţimii sudurii. În cazul materialelor cu sudabilitate scăzută (oţeluri inoxidabile, aliaje de aluminiu, aliaje de cupru) se recomandă sudarea în mai multe treceri, cu viteze mari de sudare si diametre cât mai mici ale sârmei-electrod. Debitul de argon folosit variază între 0,7 şi 1,5 l/min. Parametrii tehnologici la sudarea prin procedeul MAG se stabilesc astfel : - Diametrul sârmei-electrod se alege astfel ca în cazurile când nu sunt probleme deosebite legate de amorsarea şi menţinerea arcului, de scurgeri ale b ăii de metal topit, de sudabilitate etc., să se folosească sârme groase, ce asigură productivităţi mari (la curenţi corespunzători), iar în cazul invers al materialelor cu sudabilitate slabă, la cusături de poziţie etc.) să se folosească sârme cât mai subţiri. - Intensitatea curentului de sudare IS se alege în funcţie de diametrul sârmei-electrod, în limitele indicate în tabelul 5.9 şi din figura 5.33, b.
Tabelul 5.9 Corelaţia între de şi Is de, [mm]
0,8
1,0
1,2
1,6
Is, [A]
60 … 150
80 … 180
90 … 270
120 … 350
Valorile mici ale curentului la de = 0,8 . . . 1,0 mm sunt indicate mai ales la sudarea cu arc scurt a tablelor subţiri. Prin creşterea curentului scurtcircuitările dispar, iar transferul se face prin picături fine (la densităţi de curent I = 150 ... 200 A/mm2). - Tensiunea Ua se stabileşte la valori cât mai mici, cu condi ţia ca arcul să ardă stabil. Valori orientative pentru tensiunea arcului sunt indicate în tabelul 5.10.
- viteza de sudare vs, dacă se lucrează în varianta semiautomată, este un parametru rezultant. În cazul sudării automate (de exemplu prin prinderea capului de sudat pe un cărucior autopropulsat) se pot folosi recomandările din tabelul 5.11. - Debitul de gaz protector creşte odată cu grosimea metalului de bază şi se alege, orientativ, din tabelul 5.12.
Tabelul 5.10 Alegerea tensiunii arcului Ua s, [mm] 2 2…8
de, [mm] 0,6 … 1,2
2…8
Ua, [V] 16 … 18 17 … 25
1,6 … 2
34
Tabelul 5.11 Alegerea vitezei de sudare de, [mm]
vs [m/h]
0,8 … 1,2
5 … 26
1,6 … 2,0
12 … 40
1,6 … 2,0
12 … 40
Când sudarea are loc în locuri cu ventila ţie naturală sau forţată la locul de muncă, valorile debitului de gaz se pot mări cu până la 500%. - Viteza de avans a sârmei va se alege în funcţie de curentul de sudare şi de diametrul sârmeielectrod conform diagramei din figura 5.33, b. - Lungimea liberă a electrodului ll, adică distanţa dintre capătul patinei şi capătul sârmei, influenţează atât procesul de transfer al metalului prin arcul electric, cât şi consumul de gaz protector. În condiţiile înclinării optime a sârmei-electrod faţă de verticala 15 ... 20°, se pot folosi valorile lungimii libere a electrodului date în tabelul 5.13.
Tabelul 5.12 Alegerea debitului de CO2 de, [mm]
Q CO2 ' [l/min]
0,8 … 1,2
6 … 10
1,6 … 2,0
10 … 20
Tabelul 5.13 Lungimea liberă a sârmei-electrod, ll [mm] de
0,8
1
1,2
1,6
2
ll
6 … 10
7 … 12
8 … 14
12 … 18
14 … 22
Creşterea lungimii libere a electrodului conduce la topirea lui mai rapid ă, deci la lungirea arcului, impietând asupra randamentului termic şi de transfer al masei de metal în cusătură. Procedeele MIG şi MAG se utilizează, în prezent, din ce în ce mai des, asigurând o mare productivitate şi mai ales o calitate superioară a sudurii la materiale care se sudeaz ă dificil cu electrozi înveliţi. La cusături lungi, rectilinii sau circulare, procedeul se aplică de multe ori în varianta complet automatizată.
d. Sudarea cu arc electric în mediu protector de gaze, cu electrod nefuzibil (WIG). Acest procedeu se aplică de obicei manual, după o schemă de principiu prezentată în figura 5.34.
Fig. 5.34.Tehnica operatorie la procedeul WIG. Arcul electric se realizează între metalul de bază MB şi un electrod nefuzibil EW, fabricat de regulă din wolfram sau din wolfram-thoriat, de unde provine şi denumirea prescurtată a procedeului (Wolfram Inert Gas). Electrodul şi respectiv metalul de bază, se racordează la cei doi poli ai sursei de curent de sudare US. Arcul arde într-un jet de gaze protectoare GP, inerte MB (de obicei argon, iar uneori heliu) sau în amestecuri de gaze aduse în ajutajul A, în jurul cap ătului electrodului. Metalul de adaos MA, sub forma unei vergele, de compozi ţie compatibilă faţă de aceea a metalului de bază, execută o mişcare având două componente:
1) este mişcarea de avans, fiind caracterizată de vectorul viteză de avans v a iar MA
2) este mişcarea în direcţia de sudare, caracterizată prin vectorul viteză de sudare v S . Mişcarea de avans este alternativă (de coborâre urmată de ridicare), iar mişcarea în direcţia de sudare este intermitentă. Ea se desfăşoară în 2 etape, corespunzătoare topirii picăturilor de metal de adaos şi depunerilor pe marginile pieselor de sudat, topite şi ele treptat sub influenţa arcului electric realizat de electrodul din wolfram EW, deplasat în direc ţia de sudare. Mişcarea acestuia, EW
caracterizată de vectorul v S , precede mi şcarea vergelei metalului de adaos, în scopul topirii unei zone a marginilor rostului, înainte de depunerea picăturii de metal de adaos. Procedeul WIG se utilizează, mai ales, în cazul sudării tablelor din oţeluri inoxidabile subţiri şi
în cel al sudării aliajelor de aluminiu, cupru, magneziu şi titan, înlocuind în prezent în mare
măsură în aceste domenii, sudarea cu electrozi înveliţi şi sudarea cu flacără oxigaz. Se foloseşte fie curentul continuu, fie cel alternativ. Avantaje maxime se obţin la folosirea polarităţii directe, când, electrodul se consumă cel mai puţin, capătul liber al acestuia ia o formă conică, ascuţită, realizându-se mari concentrări ale curentului de sudare şi ale energiei, ca şi coeficienţi de depunere maximi. La sudarea aluminiului şi magneziului se foloseşte curentul alternativ. Gazul protector utilizat de regulă este argonul. Uneori se folosesc amestecuri de gaze inerte şi active neoxidante (Ar + He, Ar + H2), pentru prevenirea consumării electrodului. Prevenirea sudării electrodului de metalul de bază, la amorsarea arcului electric, se face prin utilizarea unei surse de curent speciale, având un generator de oscilaţii de înaltă frecvenţă, care sunt induse în arcul electric de sudare. Parametrii principali ai regimului de sudare sunt: intensitatea curentului de sudare, tensiunea arcului, tipul rostului, viteza de sudare diametrul duzei pentru gaz, debitul de gaz protector, diametrul electrodului de wolfram. În literatura de specialitate parametrii tehnologici recomandaţi se prezintă în special tabelar, ca rezultate ale unor cercetări experimentale. În tabelele 5.14 şi 5.15 se prezintă unele exemple de regimuri recomandate la sudarea tablelor din oţel inoxidabil, respectiv din Al şi Cu. Viteza de sudare la procedeul WIG este variabilă, între 5 şi 60 m/oră. Ea se alege cu atât mai mare, cu cât pătrunderea şi aria secţiunii transversale a cusăturii trebuie să fie mai mici. Trebuie avut în vedere faptul că valorile mari ale vitezelor de sudare implică energii liniare mici, avantajoase din punctul de vedere al unor tensiuni interne mai mici. Acest aspect este deosebit de important la sudarea materialelor cu sudabilitate scăzută.
Tabelul 5.14 Parametrii regimului de sudare WIG, pentru oţel inoxidabil Tipul îmbinării şi
Dimensiunile rostului [mm]
forma rostului
] m m [ d o rt c lee d
] m [m j at u aj D
] n i m l[/ z a g e td i eb D
r o l ri tu a-r ts l u -ră m u N
] A [ t n re u c t. sin et n I
] V [ rc a .s en T
s
b
c
r
1
0
1
1,5
1,5
9
5
1
80
21
1,5
0
1
2,5
1,5
9
5
1
100
22
1
0
-
-
1,5
9
5
1
70 … 75
20
1,5
0
-
-
1,5
9
5
1
90
21
2
0
-
-
2
9
6
2
110 … 112
21
100
21
2
0
-
-
2
9
6
1 100
21
140
23
135
23
4
0,5
-
-
3
13
6
2
Tabelul 5.15 Regimuri recomandate pentru sudarea aluminiului şi cuprului prin procedeul WIG Dimensiunile rostului [mm] ă z a b e ld ta e M
u i n i m u l A
ru p u C
Tipul îmbinării şi forma rostului
s
x°
b
c
r
] m [m d ro t c lee
] n i m / [l
] m [m jat u j a
za g ti b e D
φ
φ
r lo ri tu rat s .r N
] A [ Is i lu u t n e ru c a tea ti s etn n I
] V [ a U i lu u rca a e n u is n e T
1
-
0
1
1,5
1,6
9
6
1
55
20
1,5
-
0
1,5
2
1,6
9
9
1
80
21
1,5
-
0
-
-
3
9
6
1
80…82
22
3
-
0
-
-
3
9
6
1
150…155
23
3
-
0
-
-
3
9
8
1
150
23
2
120
21
0
-
0
-
-
4
13
12
1 2
250 80
27 25
8
60
1
1
-
4
13
13
1
195…200
22
2
200…300
24
1
-
0
1,3
1,3
1,3
9
6
1
80
20
1,3
-
0
-
-
1,5
9
6
1
120
22
2
-
0
-
-
2
9
6
1
155
25
3
-
0
-
-
3
9
7
1
200
25
2
150
24
4
-
0
-
-
4
13
8
1 2
220 190
26 25
4
60
0
1
-
4
13
8
1
250
27
5.8. Sudarea cu plasmă Acesta este un procedeu special de sudare, la care arcul electric arde strangulat şi alungit într-un ajutaj prin care trece un anumit debit de plasmă termică, obţinută prin ionizarea în arcul electric a unui gaz plasmagen. Dispozitivele utilizate în scopul realiz ării acestor condiţii se numesc plasmatroane. Se disting două variante ale procedeului: sudarea cu jet de plasmă (denumită şi sudare cu arc netransferat - fig. 5.35, b) şi sudarea cu arc de plasmă (numită şi sudare cu arc transferat - fig. 5.35, a). Acest procedeu de sudare utilizeaz ă un arc electric întreţinut între un electrod nefuzibil şi corpul ajutajului de strangulare. Arcul arde într-un mediu protector de gaze.
Fig. 5.35. Sudarea cu plasmă: 1 - piese ; 2 - electrod ; 3 - ajutaj ; 4 - disc ceramic. Pentru sudare se utilizează de obicei jetul de plasmă, obţinut după schema din figura 5.35, b. Sudarea se realizează cu metal de adaos - sârmă introdusă în baia de metal topit - sau, mai frecvent, fără metal de adaos. Pentru a se asigura o protec ţie eficientă a băii de metal topit se poate utiliza un gaz. de protecţie (argon, hidrogen) trimis în jurul jetului de plasm ă printr-an orificiu inelar al ajutajului (fig. 5.35, c). Se pot suda cu plasmă toate materialele sudabile prin procedeul WIG, cu avantajele create de o viteză de sudare mai mare, grosimi mai mari ale pieselor sudate şi o pregătire a pieselor mult mai puţin pretenţioasă. Modul operator al procedeului este, în general, similar cu cel al procedeului WIG, descris anterior. Atunci când sudarea cu plasmă se practică fără sârmă de adaos, cantitatea de metal suplimentară necesară umplerii rostului pe întreaga lungime a cus ăturii sudate, se aduce în aceste cazuri din nişte plăcuţe de compensaţie, sudate la capetele îmbinării, unde altfel ar rămâne o zonă nesudată.
Se disting două grupe de regimuri de folosire a plasmei: sudarea obişnuită cu plasmă şi sudarea cu microplasmă. Pentru sudarea obişnuită cu jet de plasmă se foloseşte un curent de sudare IS = 80 … 350 A, la tensiuni ele sudare US = 15 … 30 V. Debitele de gaz plasmagen sunt cuprinse între 0,5 … 20 l/min iar debitele de gaz de focalizare variaz ă în limitele 1,5 … l/min. Cel mai des utilizat este argonul, iar uneori amestecuri de gaze: Ar + H 2, Ar + He, Ar + N2. La sudarea cu microplasmă, aplicată pieselor cu grosimi sub 1 mm, sub form ă de tablă, benzi sau sârmă, se utilizează curenţi de sudare foarte mici, variind între 0,4 … 10 A, la tensiuni de sudare U de 20 … 30 V. Debitele de gaze plasmagene şi de protecţie sunt mici, variind între 0,2 şi a
1 l/min. în tablele 5.16, 5.17 şi 5.18 se dau unele exemple de regimuri de sudare cu plasmă şi microplasmă. Sudarea cu plasmă sau microplasmă este un procedeu scump, fiind rentabilă numai în cazul îmbinării oţelurilor înalt aliate şi inoxidabile, având sudabilitate scăzută şi în cazul metalelor cu afinitate mare faţă de oxigen (Al, Ti, Cu etc.).
Tabelul 5.16 Regimurile de sudare ale aluminiului cu plasmă s,
IS,
Ua,
vS,
Gaz plasmagen (Ar),
Gaz focalizare (Ar),
[mm]
[A]
[V]
[m/h]
[l/min]
[l/min]
3 4
120
16
50
2…3
4
150
16
30
2…3
4
5 6
220
18
30
3…4
6
300
18
30
4…5
7
330
20
20
5…6
8
350
20
20
5…6
9
7 8
Tabelul 5.17 Regimuri dseud are cu micropal sm ă Aliaje
s,
IS,
Ua,
Gaz plasmagen (Ar).
sudate
[mm]
[A]
[V]
Debitul [l/min]
Gaz de focalizare Debitul,
Compoziţie
[l/min] Oţel inoxidabil
Aliaje de titan
Cupru
9,75 0,5 0,25 0,12
10 8 6 2
0,55 0,40 0,2 0,1
10 6 5 3
0,1
10
30 30 30 30
0,3
0,73 0,60 0,52 0,50
30
0,3
0,58
30
0,3
0,58
Ar Ar + 4% H Ar + 3% H22 Ar + 1% H2 Ar + 75% H2 Ar Ar Ar + 5% H2 Ar + 5% H2
Tabelul 5.18 Regimurdi esudarec umicrop lasm ăp,uîn c
te,oale ţelului inoxidabil
s,
IS,
Ua,
Gaz plasmagen (Ar),
[mm]
[A]
[V]
[l/min]
0,25
10
25
Ar + 3% H2
0,6
0,25
10
25
Ar
0,8
0,12
6
20
Ar + 2 % H2
0,2
0,08 0,025
2 0,4
20 20
Ar + 2 % H2 Ar
0,2 0,3
0,5
Gaz de protecţie l/min
0,6
Timp de
Compoziţie
sudare, [s]
5.9. Sudarea prin topire sub baie de zgură 5.9.1 Schema de principiu şi modul operator Acest procedeu foloseşte ca principală sursă de energie căldura degajată la trecerea curentului electric prin zgura lichidă ce se formează la suprafaţa unei băi metalice de sudare. Procedeul se aplică pe scară largă la sudarea pieselor de grosime mare (40 ... 500 mm) dintr-o singură trecere, pe verticală, ca de exemplu la confecţionarea virolelor pentru tamburii cazanelor mari d e abur, a batiurilor maşinilor unelte grele şi oriunde posibileste
ă
înlocuirea pieselor
complexe din oţel turnat sau forjat cu ansambluri sudate. Schema de principiu a procedeului este dată de figura 5.36, a. Cele două piese care se sudează sunt aşezate faţă în faţă, între ele lăsându-se un spaţiu de o anumită mărime. Pentru formarea băii metalice de sudare, se aşează sub piesele sudate, în dreptul rostului o placă de închidere, iar lateral se poziţionează două patine de cupru răcite forţat cu apă. Sârma-electrod este condusă spre baia de sudare, printr-un tub de ghidare (ajutaj). Un pol al sursei de curent se leagă la piesele de sudat, celălalt la sârma-electrod.
Fig. 5.36. Schema sudării electrice sub baie de zgură: 1 - piesele de sudat; 2 - sârmă-electrod; 3 - patine de cupru; 4 - placă de închidere a băii; 5 - sudură ; 6 - metal solidificat; 7 - metal lichid; 8 - zgură lichidă; 9 - viteza da sudare; v p - viteza de pendulare a sârmei-electrod; v a - viteza de avans a sârmei-electrod. Amorsarea sudării începe prin aprinderea unui arc electric sub un strat de flux introdus iniţial în spaţiul dintre piese şi patine. După formarea zgurii, rezultată din topirea fluxului, arcul se stinge, circuitul de sudare închizându-se prin baia de zgur ă electroconductoare care vine în contact cu electrodul. Pe m ăsură ce electrodul se consumă, el este avansat în baia de zgură, contribuind împreună cu metalul pieselor la formarea sudurii. Întrucât sudura se dezvolt ă pe verticală, este necesar ca patinele de cupru să se deplaseze pe verticală, menţinând în continuu baia de metal topit şi baia de zgură. Prin sudare sub baie de zgură se pot realiza şi suduri circulare (fig. 5.36, b). Întregul proces este automatizat.
Pentru mărirea productivităţii sudării se pot utiliza următoarele soluţii : - imprimarea unei mişcări transversale electrodului, v p ; - folosirea simultană a mai multor sârme-electrozi ; - folosirea unor electrozi de construcţie specială : benzi, ţevi etc. (fig. 5.36, c şi d). În cazul folosirii electrozilor lamelari (fig. 5.36, c), aceştia coboară pe verticală cu viteza v a , fiind fixa ţi la partea superioară în dispozitivul de avans. În cazul folosirii sistemului cu ajutaj fuzibil (fig. 5.36, d), electrozii sunt sârme ce se deplasează cu viteza va prin nişte ţevi sau alte elemente de ghidare, solidare cu nişte plăci fixe, constituind metal de adaos şi având rolul de a micşora cantitatea de sârmă de sudare consumată pentru umplerea rostului îmbinării.
5.9.2. Stabilirea parametrilor regimului de sudare Pentru sudarea obişnuită în baie de zgură (cu sârmă-electrod) se stabilesc următorii parametrii ai regimului de sudare: - Natura metalului de adaos se alege astfel încât compozi ţia chimică a acestuia să fie apropiată de cea a metalului de bază, iar rezistenţa de rupere să fie cu circa 10 % mai mare decât cea a metalului de bază. - Numărul sârmelor-electrod n, se alege conform tabelului 5.19, crescând odat ă cu grosimea s a pieselor de sudat. Tot astfel, diametrul sârmei electrod variază crescător cu grosimea pieselor de sudat, între 2,5 şi 12 mm.
Tabelul 5.19 Legătura dintre s şi n Grosimea pieselor [mm] până la 50 50 … 500 150 … 300 300 … 800
Numărul n, de electrozi utilizaţi 1 2 3 4 … 12
Cel mai des se utilizează sârme cu diametrul de 3,25 şi 4 mm. - Distanţa L între sârme se corelează cu alţi parametri, conform relaţiei: 1 L = (s + a 1 − 2a 2 ) [mm], n
(5.20)
în funcţie de grosimea pieselor s, numărul sârmelor electrod n, distanţa minimă (la pendulare), între electrozi a1 şi distanţa între electrozii marginali şi patinele laterale a2. La sudarea cu poziţii fixe ale sârmelor-electrod se consideră avantajoasă distanţa L având valori de 50 … 60 mm, iar la sudarea cu pendulare se ia L = 100 … 150 mm.
- Lungimea liberă a sârmei-electrod (de la bucşa de contact, la baia de zgură) este în mod frecvent de 60 … 80 mm, iar cu măsuri speciale ajunge până la 200 mm. - Viteza de avans a sârmei-electrod, corelată pe baze experimentale cu diametrul acestuia şi cu puterea sursei de curent de sudare, se stabileşte de regulă, la valori de 1,5 … 8 m/min. - Tensiunea de sudare, debitată de regulă de o sursă cu caracteristică externă rigidă, este de 35 … 55V. - Viteza de sudare v se corelează cinematico-geometric cu viteza de avans a sârmei-electrod v , cu s
a
diametrul acestuia, de şi cu aria A, a secţiunii transversale a rostului astfel: vs = va ⋅
π ⋅ d 2e A se = va ⋅ Ar 4⋅b⋅l
(5.21)
- unde Ase este aria secţiunii transversale a sârmei-electrod, iar b şi l sunt lăţimea şi respectiv lungimea rostului. Relaţia (5.21) are la baz ă egalitatea dintre cantitatea de metal topit din sârma-electrod în unitatea de timp şi cantitatea de metal depus în rost, pierderile de metal fiind complet neglijabile. În cazul folosirii ajutajelor fuzibile, aria rostului se calculează, excluzând din calcul aria secţiunii transversale a ajutajului fuzibil, care uneori poate fi variabilă, în funcţie de configuraţia pieselor de sudat. - Densitatea de curent în sârma-electrod se alege la valori de 30 ... 100 A/mm 2, conducând la utilizarea unor valori medii ale curen ţilor de sudare de circa 200 … 1000 A pentru fiecare sârm ăelectrod. În mod frecvent se lucreaz ă cu coeficienţi de topire de 30 ... 40 g/A ⋅oră ajungându-se în cazuri speciale până la 65 g/A ⋅ oră. Dată fiind importanţa deosebită a pieselor la care este aplicabil procedeul sud ării în baie de zgură, este obligatorie verificarea experimentală prealabilă, în laborator, a regimurilor de sudare stabilite prin calcul.
5.10. Sudarea prin topire cu flac ără de gaze Acest procedeu de sudare utilizează ca sursă de energie calorică o flacără produsă prin arderea (de obicei în oxigen) a unui gaz combustibil cu putere calorific ă ridicată, de exemplu: acetilena, hidrogenul, propanul etc. Dintre acestea, cel mai des se utilizează acetilena, care are o putere calorifică de circa 49.000 KJ/Nm3; mult mai mare decât a altor gaze (de exemplu: a hidrogenului care este de circa 11.000 KJ/Nm 3).
Flacăra oxiacetilenică. Arderea completă a acetilenei în oxigen se produce după reacţia chimică C2H2 + 2,5 O2 = 2CO2 +H2O + Q
(5.22)
Dacă amestecăm volume egale de acetilenă şi oxigen, rezultă prin ardere, oxid de carbon şi hidrogen, adică un amestec reducător de gaze ce încă mai poate arde: C2H2 +O2
2CO + H2 + Q1
(5.23)
în funcţie de raportul volumic O2/C2H2 din flacăra oxiacetilenică, numit raport de combustie şi notat de regulă prin K, se disting trei tipuri de fl ăcări: cea reducătoare sau carburantă, cu un raport mai mic de 1,1, normală - cu raportul cuprins între 1,1 şi 1,2 şi oxidantă, având raportul mai mare de 1,2. În flacăra oxiacetilenică de orice tip se disting următoarele zone caracteristice, conform figurii 5.37.
Fig. 5.37. Flacăra oxiacetilenică - Nucleul, în care are loc încălzirea treptată a amestecului de gaze până la temperatura de aprindere. Într-un strat exterior subţire al nucleului se produce descompunerea parţială a acetilenei în hidrogen şi
carbon, cu formarea unor particule solide de carbon care, aflându-se la temperatur ă ridicată,
strălucesc conturând bine nucleul, care la interior are o culoare albastră. - Zona reducătoare este zona arderii primare, în care se produce reacţia (5.23) de ardere a acetilenei, pe baza oxigenului primit prin bec. Această zonă are o culoare albăstruie. - Zona flăcării secundare, în care se produce arderea secundară a produselor rezultate din arderea primară, pe baza oxigenului din aerul înconjur ător. Această zonă are un caracter oxidant, deoarece CO2 şi H20 la temperaturi ridicate pot oxida fierul. Culoarea flăcării secundare este galbenă-roşiatică. Zonele amintite mai sus sunt diferite ca mărime, în funcţie de tipul flăcării respective. În figura 5.38 este reprezentată diagrama variaţiei temperaturii în lungul flăcării, rezultând că temperatura maximă, de circa 3150°C se obţine în zona reducătoare, la 3 … 5 mm în fa ţa
nucleului. Rezultă de aici că pentru a folosi la maximum efectul termic al flăcării baia de metal topit trebuie ţinută în această zonă a fl ăcării. Acest lucru este indicat şi sub aspectul utilizării capacităţii reducătoare a acestei zone.
Utilajele postului de sudare cu flacără oxiacetilenică. Principalele utilaje necesare la sudarea cu flacără sunt: sursele de acetilenă (generatoare sau butelii de acetilenă), sursele de oxigen, reductoarele de presiune pentru cele dou ă gaze folosite şi trusa cu arzătoare pentru sudarea cu flacără de gaze.
Fig. 5.38. Variaţia temperaturii în lungul flăcării Generatoarele de acetilenă produc acetilena la locul de sudare prin reac ţia dintre carbura de calciu (carbid) şi apă: C2Ca + 2H2O → C2H2 + Ca(OH)2+Q2 (5.24) Dintr-un kilogram de carbid se obţin circa 250 ... 300 1 acetilenă, funcţie de puritatea şi granulaţia carbidului. Presiunea de lucru este cuprinsă între 100 şi 12 000 mm col. ap ă. Butelia de acetilenă se utilizează când nu se dispune de generator de acetilenă sau când există condiţii mai bune de aprovizionare cu acetilenă decât cu carbid. Acetilena îmbuteliată, obţinută în instalaţii speciale de oxidare parţială cu oxigen a gazului metan, are de obicei o puritate mai mare decât cea rezultată în generatoare, fapt care o indică pentru folosirea la lucrările de sudare deosebite. Butelia de oxigen asigură postul de sudare cu flacără de gaze, cu oxigenul necesar reac ţiei de ardere. Reductoarele de presiune au rolul de a mic şora presiunea gazelor care iau parte la reac ţia de ardere, de la presiunea înaltă la care se găsesc în butelii, până la presiunea de lucru, şi de a menţine constantă această presiune. Arzătorul pentru sudare cu flacără are rolul de a realiza amestecul carburant şi a dirija spre îmbinare flacăra rezultată. De obicei se folosesc arzătoare cu injector, de tipul celui prezentat principial în figura 5.39.
Fig. 5.39. Arzător pentru sudarea cu flac ără oxi-gaz O trusă de arzătoare conţine de obicei un corp şi 8 seturi de injectoare, şi subansamble bec-conductă-cameră de amestec având dimensiuni cu atât mai mari, cu cât consumul de gaze este mai mare (la sudarea unor table mai groase). Acestea sunt numerotate cu cifrele 0 ... 7.
Modul operator (fig. 5.40, a). Energia termică dezvoltată în flacăra oxi-gaz FOG topeşte atât marginile pieselor de sudat MB, cât şi capătul sârmei de metal de adaos MA, numit în acest caz sârmă de sudare, producând o aliere între acestea.
Fig. 5.40. Tehnica operatorie la sudarea oxi-gaz : a - elementele modului operator ; b - tehnica sudării spre stânga ; c - tehnica sudării spre dreapta. Pentru dirijarea energiei termice în diferite direcţii ale băii de metal topit becul arzătorului BA execută o mi şcare de pendulare v p , suprapus ă peste viteza de sudare vs, cu care se deplasează treptat atât arzătorul, cât şi metalul de adaos. Acestuia i se mai imprim ă o mişcare de coborâre şi de ridicare, succesiv, pe măsura necesităţii proceselor de topire şi solidificare ale băii de metal ce realizează cusătura. Datorită complexităţii acestor mişcări, asemănătoare celor de la procedeul WIG, sudarea oxi-gaz este un procedeu aplicat manual. Există două tehnici distincte pentru manevrarea arzătorului şi sârmei de sudare: -
pentru sudarea tablelor cu grosimi mai mici de 3 mm se utilizează sudarea spre stânga (fig. 5.40, b), iar
-
la sudarea tablelor cu grosimi mai mari, se utilizează metoda de sudare spre dreapta (fig. 5.40, c).
Unghiurile de înclinare ale metalelor de adaos şi a arzătorului, ca şi traiectoriile mişcărilor acestora se stabilesc de c ătre sudor, în raport cu necesităţile dictate de evoluţia corelată a topirii metalului de adaos şi a metalului de bază, dirijându-se uneori picăturile proaspăt depuse în baie, cu ajutorul suflului flăcării.
Regimul de sudare şi măsuri tehnologice particulare. Principalii parametri ai regimului de sudare oxi-acetilenică sunt: tipul flăcării, debitul orar de acetilenă Q C2H 2 (denumit uneori impropriu "puterea flăcării"), diametrul sârmei de sudare d, viteza de sudare v s . Calculul lor se face conform tabelului 5.20, în funcţie de grosimea s a metalului de bază şi de natura acestuia.
Tabelul 5.20 Parametrii regimului de sudare oxi-acetilenică Parametrii
Metal de bază
Sudarea spre stânga
Sudarea spre dreapta
Q C2H 2 ,[l/h]
Oţeluri
(80 … 120)s
(120 … 150)s
Aliaje de Cu
(200 … 250)s
(250 … 300)s
d, [mm]
Toate
S/2 + 1
s/2 + 2
vs, [m/h]
Toate
12/s
15/s
La sudarea oţelurilor de construcţie moi se folosesc sârme din o ţel moale cu conţinutul de carbon mai mic de 0,1 %. La sudarea o ţelurilor cu conţinut mai mare de carbon se folosesc sârme cu 0,25 ... 0,30 % C şi dezoxidanţi (Mn şi Si) în cantităţi sporite. La sudarea oţelurilor de construcţie, cu conţinut mediu de carbon şi eventual slab aliate se recomandă o preîncălzire a metalului de bază, pentru a nu produce în Z.I.T. o fragilizare prea mare, prin creşterea grăunţilor de metal în condiţiile supraîncălzirii Z.I.T. datorate pierderilor mari de căldură din zona sudării spre restul pieselor, când gradientul de temperatură este mare. Se recomandă folosirea unei flăcări normale. Sudarea oţelurilor cu conţinut mare de carbon se face cu flacără normală sau uşor carburantă, folosindu-se o preîncălzire a metalului de bază la temperatura de 200 ... 250°C. La sudarea fontei se foloseşte ca metal de adaos o tijă turnată din fontă cu 30 % C şi dezoxidanţi. La sudarea cuprului se folosesc vergele de aliaj de cupru, con ţinând fosfor (ca dezoxidant) şi argint (1,5 ... 15 %). La sudarea alamei sârma de sudare conţine siliciu şi aluminiu ca dezoxidanţi. La sudarea aluminiului se folosesc vergele de aliaj de aluminiu, con ţinând siliciu până la 5%. La sudarea oţelurilor aliate, a fontei şi a metalelor neferoase, deoarece ele se oxidează
puternic, se folosesc în mod suplimentar fluxuri dezoxidante. Cele mai răspândite fluxuri sunt: - pentru sudarea cuprului şi alamei: borax, acid boric, amestec între acestea sau un flux cu borax, carbonat de potasiu şi clorură de sodiu, de exemplu : 70% borax (tetraborat de Na) + 10% acid boric + 20% NaCl; - pentru sudarea fontei: borax sau amestec de borax, carbonat de sodiu şi de potasiu; - pentru sudarea aluminiului şi a aliajelor sale : fluorură şi cloruri de sodiu, potasiu şi litiu, de exemplu : 28% NaCl + 50% KCl + 14% LiCl + 8% NaF. Conţinutul diferitelor substanţe în fluxuri diferă în funcţie de compoziţia aliajelor care se sudează. Aluminiul şi aliajele sale se degresează într-o soluţie apoasă de 3 … 5% NaOH şi 1 … 3% Na2SiO3, pe o lăţime de 30 … 40 mm de fiecare parte a rostului. Urmează o spălare cu apă fierbinte şi o decapare într-o soluţie de 100% acid azotic, urmând iarăşi o spălare cu apă. În funcţie de grosimea tablelor se face o preîncălzire la 300 ... 350°C, care ajută la micşorarea şocului termic şi
a gradientului de temperatură în timpul sudării. Pentru a împiedica răcirea pieselor în timpul
sudării ele se aşează pe materiale izolante termic (azbest sau cărămizi refractare), care împiedică scurgerea prin conducţie a căldurii din metalul de bază. Flacăra de sudare trebuie s ă fie uşor carburată (K = 0,95 ... 1), în vederea reducerii fenomenelor de oxidare, iar arzătoarele trebuie să nu prezinte impurităţi sau urme de funingine şi să fie alese cu un număr mai mare cu o unitate decât cele pentru sudarea unor oţeluri de aceeaşi grosime, deoarece pierderile de c ăldură prin conducţie şi apoi prin convecţie şi radiaţie sunt mari. Măsuri similare se iau şi la sudarea alamei. Tablele se decapează în soluţie apoasă de HNO3 10% şi apoi se spală cu apă fierbinte şi se usucă. Pentru a înlătura evaporarea zincului din baie, sudarea se execută cu o flacără oxidantă (K = 1,3 … 1,4), iar distanţa dintre becul arzătorului şi piesa de sudat trebuie s ă fie de 8 ... 10 mm. La suprafa ţa băii se formează în acest caz o peliculă de oxid de zinc, care este mai u şor şi mai greu volatil, împiedicând această evaporare. Debitul orar de acetilenă folosit este mic, în acelaşi scop, fiind de circa 100 l/h. Sudarea alamei se execută prin metoda de sudare spre stânga cu amplasarea sârmei de adaos sub un unghi de 15 … 30° fa ţă de piesă. Arzătorul este condus, cât mai repede, sub un unghi de 70 … 80° faţă de orizontală şi fără pendulări transversale. Sudarea se execută cu amplasarea sârmei de adaos în flacără, deasupra metalului topit. Ca material de adaos se foloseşte adesea alama de lipit, de exemplu marca BCu48ZnAg 800-830. După sudare se execută ciocănirea sudurii la temperatura de 500°C, pentru alamele cu mai puţin de 60% cupru şi la rece pentru alamele cu peste 600% cupru. După ciocănire se poate executa o recoacere la 600°C, urmat ă de o răcire lentă, pentru obţinerea unei granulaţii fine şi pentru înlăturarea ecruisării produse prin ciocănire. În general sudarea cu flacără are un caracter universal de aplicabilitate, însă în ultimul timp
domeniul ei de utilizare s-a restrâns la sudarea ţevilor şi fitingurilor în producţia de serie şi de unicate, sudarea tablelor subţiri, lucrări de reparaţii, sudarea la cald a fontelor, sudarea în condi ţiile lipsei de energie electrică. Principalele dezavantaje ale procedeului sunt: pătrunderea mică a cusăturii sudate, pierderile mari de căldură, deformaţiile mari ale structurilor sudate şi productivitatea mică, provenind toate din concentrarea relativ mică a sursei de căldură folosită. În producţia de serie mare şi de masă există în prezent tendinţa înlocuirii acestui procedeu prin sudarea cu procedeul WIG sau procedeul sudării cu plasmă sau cu microplasmă.
5.11. Sudarea prin aluminotermie Acest procedeu, denumit şi sudarea cu termit sau sudarea prin turnare, utilizeaz ă energia termochimică importantă, degajată, uneori în reacţie exotermă de înlocuire a unui metal din oxizii săi, de către un altul, mai electronegativ. Cel mai des se utilizează reacţiile exoterme de înlocuire a fierului din oxizi, de c ătre aluminiu, astfel : Fe203 + 2A1 → Al2O3 + 2Fe + Q1
(5.25)
3Fe3O4 + 8Al → 4Al2O3 + 9Fe + Q2
(5.26)
Căldura degajată în urma reacţiilor ridică temperatura amestecului până la temperaturi de peste 2.000 °C şi poate produce în acest caz topirea fierului, care poate fi introdus în aceast ă stare într-o cavitate ce are ca pere ţi laterali marginile unor piese de sudat. Fierul topit şi supraîncălzit topeşte aceste margini şi se amestecă intim cu metalul de bază, conducând prin răcire la sudarea pieselor. Modul de lucru este prezentat în figura 5.41.
Fig. 5.41. Sudarea prin aluminotermie. Amestecul de oxizi de fier şi pulbere de aluminiu se introduce într-un creuzet C acoperit cu un capac Cp, prevăzut la partea inferioară cu un dop D. Amestecul este încălzit la o temperatură de peste 1300°C prin aprinderea cu un dispozitiv cu pulbere de magneziu, declanşându-se reacţiile de
substituţie care durează de regulă sub un minut, după care se scoate dopul D. Metalul topit este introdus într-o formă de turnare FT, prin reţeaua de alimentare a acesteia RA. Cavitatea formei este constituită chiar din rostul îmbinării de realizat, între capetele metalului de baz ă MB, lăsându-se de jur-împrejur un spaţiu suficient pentru formarea unor bavuri B. La partea superioară a formei se prevede o maselotă M, care se îndepărtează după dezbaterea pieselor sudate din formă. Procedeul se aplică mai ales la sudarea cap la cap a pieselor masive turnate din o ţel, a şinelor,
a barelor groase sau profilelor grele şi uneori, folosind în mod similar oxizi de cupru, la
sudarea conductoarelor din cupru de sec ţiuni mari. Încărcătura creuzetului poate ajunge până la 3 tone. Lăţimea rostului de sudare b se calculează cu relaţia empirică: 1
⎛ A ⎞3 b=⎜ ⎟ [mm], ⎝ 0,14 ⎠
(5.27)
unde A este aria secţiunii transversale a capătului metalului de bază. La un kilogram de amestec termitic obişnuit se obţin 524 g Fe şi 476 g de zgură, care rămâne, de regulă, un creuzet. În cazuri rare, în locul aluminiului se foloseşte magneziul, care are avantajul c ă produce substituţia la temperaturi mai mici.
5.12. Sudarea cu energie radiantă 5.12.1. Sudarea cu raze laser Acesta este un procedeu special de sudare, care se aplică în domeniul îmbinărilor foarte fine, de folii metalice, de fire şi filamente, specifice industriei electronice. Schema de principiu a sudării cu LASER cu gaz se prezintă în figura 5.42. Într-un tub de descărcare TD prevăzut cu doi electrozi E se produce o emisie stimulată şi amplificată între două oglinzi O1 şi O2, a unui fascicul de lumin ă coerent. Întrucât în acest caz practic toate undele sunt în faz ă, fasciculul poate fi focalizat cu ajutorul unor lentile LF pe suprafeţe foarte mici, obţinându-se pe aceste suprafeţe densităţi de energie de peste 108 W/cm2. Fasciculul este deviat înainte sau după lentila LF, cu ajutorul unei oglinzi deviatoare OD, astfel încât radiaţia să bombardeze piesele de sudat P1 şi P2 aflate în contact. Acestea sunt fixate într-un dispozitiv care execută o mişcare cu viteza de sudare v s . Ca mediu activ pentru producerea razei laser se utilizează, de regulă, un amestec de gaze rarefiate (de exemplu CO2 + He), sau un material solid transparent, de exemplu rubinul artificial. Pentru sudare se folosesc atât fascicule LASER continue (cu mediu activ gazos), cât şi sub formă de impulsuri (cu mediu activ de regulă solid), a căror durată este de ordinul 10-3 secunde. Concentrarea foarte mare a fasciculului
LASER permite topirea rapidă a unor zone foarte mici din practic orice material metalic, iar prin solidificare rezultă apoi cusătura sudată (de cele mai multe ori fără metal de adaos şi cu margini suprapuse). Uneori se lucrează cu o uşoară defocalizare.
5.12.2. SUDAREA CU FASCICUL DE ELECTRONI Este, de asemenea, un procedeu special de sudare prin topire (fig. 5.43, a). Dacă asupra unei piese este dirijat un fascicul de electroni cu o vitez ă suficient de mare, atunci când electronii lovesc suprafaţa piesei, energia lor cinetică se transmite piesei sub formă de energie termică. Cantitatea de căldurăprodusă în acest mod depinde de num ărul de electroni ce ating suprafaţa piesei în unitatea de timp şi de viteza lor. Puterea fasciculului de electroni este dată de produsul dintre tensiunea de accelerare a electronilor şi intensitatea fasciculului, putând fi exprimată în waţi.
Fig. 5.42. Sudarea cu radiaţii emise de LASER cu gaz (continuu).
Fig. 5.43. Sudarea cu fascicul de electroni: a - tunul electronic şi modul operator ; UA - tensiunea anodică; UG - tensiunea de grilă; UK - tensiunea catodică; b şi c - tipuri de camere de vid pentru sudarea fasciculului de electroni.
Puterea specifică, adică puterea ce acţionează pe unitatea de suprafaţă de impact, poate atinge valori de 5 X 10 8 W/cm2, nivel net superior altor procedee de sudare (de exemplu, puterea specifică a flăcării oxiacetilenice este de 5 X 1012 W/cm2, iar a arcului electric de 106 W/cm2). Practic, procedeul utilizează energia cinetică a unui flux de electroni FE care bombardeaz ă metalul de bază al pieselor de sudat P1 şi P 2. Sursa de electroni este un catod filiform K. Electronii emişi de acesta sunt acceleraţi între grila G şi anodul A, iar apoi sunt focaliza ţi într-o bobină de focalizare BF. Toate aceste elemente formează un tun electronic TE. Fasciculul, accelerat şi focalizat astfel, este dirijat spre piesele de sudat P şi P , fixate într1
2
un dispozitiv de prindere DP, care se deplasează, de regulă, după un program de comandă numerică, într-o mişcare de rotaţie sau de translaţie, cu viteza de sudare vs. Sudarea se execută într-o cameră cu vid înaintat CV, pentru prevenirea pierderii energiei fasciculului de electroni la ciocnirea lui cu particulele de aer (fig. 5.43). Energia unui fascicul cu n electroni de masă me şi sarcină e, acceleraţi la viteza v de c ătre o diferenţă de potenţial U se poate calcula cu rela ţia : n ⋅e⋅U =
n ⋅ me v2 2
(5.28)
Ca urmare a acestei energii fasciculul pătrunde la o adâncime x în materialul de densitate o, cedând acestuia energia U, ceea ce face ca o parte din material s ă fie dislocată, iar zonele marginale impactului să se încălzească la temperaturi suficiente pentru a suda între ele orice materiale metalice. Adâncimea xp se calculează cu relaţia: x p = 2,2 ⋅10 −11
U2
ρ
(5.29)
fiind de regulă cuprinsă între 0,01 şi 8 mm. Procedeul este încă folosit rar, datorită complexităţii deosebite a utilajului şi costului ridicat al funcţionării şi întreţinerii acestuia. El se aplică la sudarea pieselor mici din materiale foarte reactive, ca zirconiul şi molibdenul, din oţeluri inoxidabile şi refractare sau din metale cu tendinţă de formare a unor pelicule de oxizi (de exemplu, aliaje de Al şi Ti). Adesea se lucrează cu o uşoară defocalizare, pentru prevenirea vaporizării metalului de bază. În prezent, există soluţii pentru sudarea cu fascicul de electroni, în atmosferă, ceea ce simplifică parţial instalaţia şi creează premise pentru aplicarea procedeului pe o scară mai largă.
5.13. Sudarea prin presiune Această categorie de procedee utilizează pentru îmbinare forţe aplicate asupra pieselor, cu sau fără încălzirea acestora. În zona de îmbinare materialul de baz ă se află în stare plastică sau chiar în stare topită. Sudarea se face, de regulă, fără metal de adaos.
5.13.1. Sudarea electrică prin rezistenţă În acest caz încălzirea locală a metalului de bază se realizează prin efectul Joule. După atingerea unei temperaturi a metalului care să corespundă unei stări cu plasticitate ridicată, piesele sunt apăsate între ele cu o forţă ce asigură realizarea îmbinării sudate. Pentru obţinerea unei cantităţi de căldură într-un timp foarte scurt se folosesc curenţi electrici cu intensităţi foarte mari (de ordinul miilor de amperi). Sudarea electrică prin rezistenţă se poate realiza prin următoarele procedee: - cap la cap
- prin refulare - prin topire
Sudarea electrică prin rezistenţă - prin puncte - în linie
- a două piese
- continuă - discontinuă - obi şnuită
- a mai multor piese
- cu reliefare prealabilă
Sudarea cap la cap. Procedeul se aplică la sudarea pieselor cu secţiune constantă în lungul lor, ca de exemplu: bare, profile, sârme, ţevi etc. Schema de principiu a unei instalaţii de sudat cap la cap este prezentată în figura 5.44, a. Piesele de sudat, în cazul de fa ţa două bare, sunt prinse în bacurile ma şinii, şi prin intermediul acestora se pot apropia una de alta, ap ăsându-se cu o anumită forţă. Tot prin intermediul acestor bacuri piesele se introduc în circuitul secundar al unui transformator de sudare, puternic coborâtor de tensiune, capabil să debiteze curent electric cu intensitate de ordinul miilor de amperi.
Fig. 5.44. Sudarea electrică prin rezistenţă cap la cap : 1 - piese ; 2 - bacuri ; 3 - sanie mobilă ; 4 - cablu flexibil ; 5 - transformator.
În funcţie de particularităţile procedeului, legate de modul de apropiere al pieselor, de încălzirea lor şi de procesele ce au loc între piesele de sudat, există două variante ale sudării cap la cap : - Sudarea prin refulare. Cele două piese care urmează a se suda sunt prinse în bacurile ma şinii, după care sunt aduse în contact prin deplasarea şi apăsarea bacului mobil. Se trimite curent în circuitul format din înfăşurarea secundară a transformatorului, bacuri şi piese. La trecerea curentului de la o piesă la alta se produce încălzirea capetelor pe baza rezistenţei electrice de contact, care depinde de efortul iniţial, de starea suprafeţelor şi de natura materialului pieselor. Rezistenţa de contact se diminuează atunci când efortul creşte, pentru că asperităţile şi neregularităţile suprafeţelor (la scară microscopică) se aplatizează, mărind suprafaţa efectivă de contact. Sub efectul trecerii curentului prin piese punctele de contact se înc ălzesc, anumite zone putând ajunge chiar în stare topită. Metalul cald este refulat apoi fie prin apăsare continuă, fie printr-o creştere a efortului de apăsare a pieselor la sfârşitul ciclului de sudare. Ca urmare a reful ării, în zona sudurii şi în vecinătatea ei piesele sudate se îngroa şă. Prin acest procedeu se pot suda piese din oţel cu conţinut mic de carbon, A1 şi Cu cu secţiune
uniformă, sub 10 cm2 şi suprafeţe curate. Regimul de sudare cuprinde ca principale
elemente, presiunea de refulare (1,5...4 daN/mm2) şi densitatea de curent (50...70 A/mm2 la oţel, 150...200 A/mm2 la Al şi 250...300 A/mm2 la Cu). - Sudarea prin topire intermediară. Spre deosebire de cazul precedent, piesele sunt puse în prealabil sub tensiune şl apoi aduse în contact. Punctele de contact iniţiale se topesc ca urmare a existenţei în aceste zone a unei densităţi mari de curent. Între asperităţi se produc deopotrivă şi mici arce electrice de scurtă durată. Prin avansarea în acest timp a piesei fixată în bacul mobil se creează noi puncte de contact, ceea ce permite continuarea procesului. În timpul acestei operaţii, denumită scânteiere, cea mai mare parte a metalului topit este expulzat violent sub form ă de scântei. Când suprafeţele de sudat sunt uniform încălzite sau topite, sania mobilă este deplasată cu viteză crescândă şi, printr-o mărire bruscă a vitezei în final, se aplică pieselor o apăsare importantă (8 ... 14 daN/mm2), având drept rezultat forjarea pieselor şi îndepărtarea metalului topit la periferie. Acest metal formează în jurul îmbinării un guler neregulat (fig. 5.44, b). Dacă deplasarea saniei mobile este fără întrerupere, procedeul se numeşte sudare prin scântei cu topire continuă, iar dacă deplasarea se face cu intermitenţă, mişcările de apropiere alternând cu mişcări de îndepărtare a pieselor în vederea accentuării scânteierii, procedeul se numeşte, sudare prin scântei cu topire discontinuă. Sudarea prin scântei se aplică pieselor cu secţiuni mari ca, de exemplu, bare şi ţevi pe piese forjate, piese forjate sau laminate între ele (pârghii, tije, tiranţi, buloane, tampoane de şoc pentru vagoane, şine de tramvai sau de cale ferată, ţevi pentru schimbătoare de căldură), piese inelare sau
în formă de cadru (jante pentru roţile automobilelor, rame pentru tâmplărie metalică etc.). Îndepărtarea metalului topit dintre suprafeţele de contact permite şi sudarea unor materiale de natură diferită. Astfel se pot suda în bune condi ţii scule aşchietoare (de exemplu burghie) din oţel rapid pe cozi de o ţel carbon. Succesiunea strictă a operaţiilor de sudare după un ciclu bine determinat permite automatizarea procesului. Această posibilitate, împreună cu viteză mare de sudare au făcut ca procedeul să fie foarte utilizat în practică.
5.13.2. Sudarea prin puncte Acest procedeu de sudare se aplic ă tablelor, benzilor şi profilelor subţiri şi reprezintă cel mai răspândit procedeu de sudare prin rezistenţă şi unul dintre cele mai utilizate procedee de sudare în general. Procedeul este practicat în două variante, prezentate în cele ce urmează.
a. Varianta obişnuită. Piesele 1 ce urmează a se suda (fig. 45, a) se strâng între electrozii unei maşini 2, legaţi în circuitul secundar al unui transformator electric coborâtor de tensiune, 3. Prin trecerea unui curent electric de intensitate foarte mare (2000 ... 10000 A) prin circuitul de sudare, se produce încălzirea pe baza rezistenţei electrice de contact dintre cele două piese, cu topirea locală a materialului pieselor şi formarea unui punct de sudură. Punctul astfel realizat prezintă o rezistenţă la forfecare mare, astfel încât ruperea unei asemenea îmbinări se face în jurul lui, în materialul uneia din piese. Formarea punctului de sudură între cele două piese se explică prin faptul că rezistenţa electrică de contact dintre cele două piese Rpp are valori mai mari decât celelalte rezistenţe aflate în circuitul de sudare: Rep - rezistenţa electrică de contact dintre electrozi şi piese şi RP - rezistenţa electrică a pieselor (fig. 5.45, b).
Fig. 5.45. Sudarea electrică prin rezistenţa prin puncte.
Rezistenţele Rep sunt de nedorit şi efectul lor se diminuează prin utilizarea unor electrozi buni conducători de electricitate (din cupru sau aliaje Cu-Cr, Cu-Be-Co, Cu-Cd) şi prin curăţirea suprafeţelor pieselor (prin sablare, decapare etc.). Rezistenţele de contact se pot micşora dacă se măreşte forţa de apăsare, dar această soluţie nu poate fi pe deplin utilizat ă, deoarece se diminuează şi
rezistenţa de contact dintre piese, ceea ce face să nu se mai asigure căldura necesară sudării, iar
electrozii să imprime adâncituri pronunţate pe piese (amprente). Pentru a se realiza un punct de sudură este necesar să se respecte următoarele condiţii : - trimiterea curentului electric în circuit să se facă după ce piesele au fost bine strânse între electrozi - întreruperea circuitului electric să se realizeze atunci când forţa de strângere are valori mari, ceea ce asigură răcirea şi întărirea punctului de sudură. Aceste condiţii sunt prinse într-o diagramă de funcţionare a oricărei maşini de sudat prin puncte (fig. 5.46, a). Diagrama se ridic ă în coordonatele timp t - forţă de apăsare P, intensitate I. Cele două condiţii amintite se respectă prin apariţia unor intervale de timp şi anume : ts - timpul necesar strângerii, tî - timpul de încălzire, tr - timpul de refulare fără trecerea curentului şi td - timpul de desfacere al pieselor dintre electrozi. Durata unui ciclu T, variază de la câteva fracţiuni de secundă la câteva secunde, alimentarea maşinii şi comanda ciclului de lucru realizându-se în ultimul timp electronic, prin tiristori. În unele cazuri se foloseşte o diagramă (ca cea din fig. 5.46 b), ce diferă de precedenta, prin aceea că spre sfârşitul procesului de sudare forţa de apăsare prezintă un maximum. Această mărire a forţei de apăsare ajută la forjarea punctului de sudură cald, îmbunătăţindu-i proprietăţile mecanice. Regimul de sudare cuprinde ca principale elemente: densitatea de curent, durata şi apăsarea. Se deosebesc două tipuri de regimuri de sudare (Tabelul 5.21) :
Tabelul 5.21 Parametrii regimului de sudare prin puncte a o ţelurilor cu puţin carbon ] m [m ,i u l u l ai r tae eam m is o r g s
] m m [ ,i u l u d o trc el e l u tre m ai d d
regim moale
] A [ ,a tiae s n te n i , Is
] N a ,a[d rţ fo P
] m m [ , ră u d su e d i u l u tc n u p l u rt e m ai d
regim tare [dur]
] N a ,a[d rţ fo P
]s [ ta,a r u d t
] A [ ,a ate si n et n i , Is
]s [ ta,a r u d t
φ
0,5
4
60
2000
0,2
150
4000
0,04
1
5
100
3000
0,4
2
7
200
5000
1
3
9
300
8000
4
11
380
5
13
450
250
8000
0,1
5
500
14000
0,3
6,6
2
800
19000
0,6
8,5
10000
3,2
1250
24000
0,9
10,5
12000
4,5
1700
28000
1,4
12,5
40000
3
18
8 19 pentru s < 3 mm d = 5 s [mm]
3700 k = 3 pentru s < 7,5 [mm]
pentru s ≥ 3 mm
k = 2 pentru s ≥ 7,5 [mm]
d = 2s + k [mm]
Fig. 5.46. Diagrame de funcţionare ale unor maşini de sudat prin puncte
4
-
regimuri moi
caracterizate prin durată mare (1,5 … 3 s), densitate de curent mic ă (70 ... 160
2
A/mm ) şi apăsare mică (5 daN/mm2). Ele sunt utilizate la sudarea pieselor din o ţel cu conţinut redus de carbon şi din oţel călibil, cu grosime în general mare ( > 1 mm); -
regimuri tari
caracterizate prin durată mică (0,02...1,5 s), densităţi de curent mari (160...40C
2
A/mm ) şi apăsări mari (>5 daN/mm2). Aceste regimuri se folosesc pentru sudarea pieselor din oţeluri inoxidabile, aluminiu şi aliajele sale şi table foarte subţiri. Electrozii de sudare au de obicei formă cilindrică cu capetele teşite conic. În unele cazuri, funcţie de tipul îmbinării realizate, este necesar să se folosească alte tipuri de electrozi (fig. 5.47). În unele cazuri, când accesul electrozilor la metalul de bază este posibil numai dintr-o parte, sau când dorim dublarea productivităţii, se utilizează sudarea prin puncte în serie (fig. 5.48). Alteori, în scopul creşterii productivităţii, se apelează la maşini cu mai multe perechi de electrozi care lucrează simultan, în paralel.
b. Sudarea prin puncte, cu reliefare prealabilă. La acest procedeu de sudare electrozii sunt înlocuiţi cu două plăci între care sunt prinse piesele care se sudeaz ă ; curentul de sudare trece, de regulă, între porţiunea plată a unei piese şi câteva proeminenţe aflate pe cealaltă piesă (fig. 5.49 a) sau între suprafaţa inferioară bombată a proeminenţei realizată anticipat pe o piesă şi suprafaţa piramidală superioara a reliefării unei alte piese (fig. 5.49 b). În ambele cazuri suprafe ţele iniţiale de contact electric între piese sunt foarte mici, conducând la densit ăţi foarte mari de curent, mai ales la folosirea unor regimuri dure, ceea ce permite, uneori, sudarea simultană, reciprocă, a unor pachete de table suprapuse, cu în ălţimea totală de peste 100 mm. Acest procedeu se foloseşte, în prezent, în întreprinderile electrotehnice, la fabricarea miezurilor din tole. Faptul că tablele au pe o parte o peliculă de vopsea nu constituie un impediment la sudare, întrucât aceasta crapă în timpul reliefării, făcând posibilă trecerea curentului prin zonele reliefate, prin secţiuni foarte mici. Reliefarea se realizeaz ă prin ştanţare, odată cu decuparea tolelor, având geometria recomandată în tabelul 5.22 şi figura 5.49, c.
Fig. 5.47. Tipuri de electrozi utilizaţi la sudarea prin puncte
Fig. 5.48. Sudarea cu electrozi în serie.
Fig. 5.49. Sudarea prin puncte, cu reliefare prealabilă : a - modul operator la sudarea a două piese; b - sudarea pachetelor de piese; c - geometria reliefării şi a zonei active a ştanţei de reliefat. Avantajul principal al acestui procedeu de sudare constă în productivitatea sa ridicată, rezultând din faptul că foarte multe puncte de sudură – sau toate câte sunt necesare la ansamblul respectiv – sunt executate în acelaşi timp.
Tabelul 5.22 Geometria unei îmbinări sudate prin puncte în relief şi parametri t ehnologici recomandaţi (pentru fiecare punct) Dimensiuni, în mm (fig. 49, c) s
d
h
1,75 …
0,5 …
0,5
2,3
0,6
0,8
2,5 … 2,8
0,6 … 0,9
2,8 …
0,7 …
1
1
3,8 …
0,9 …
4
1,1
4,6 …
1…
4,8
1,2
1 1,5 2
1 punct
2 … 3 puncte
minimum 4 puncte
p,
Is,
t,
p,
Is,
t,
p,
Is,
t,
L
punct
[daN]
[kA]
[s]
[daN]
[kA]
[s]
[daN]
[kA]
[s]
4
3,5
60
4,4
0,06
60
3,8
0,12
40
2,9
0,12
5,5
4,3
100
6,6
0,06
60
5,1
0,12
50
3,8
0,22
7
4,5
150
8
0,1
95
6,0
0,2
70
4,3
0,3
9,5
5,7
230
10,3
0,2
165
7,6
0,4
150
5,3
0,5
11
7
360
12,0
0,28
240
8,9
0,56
210
6,5
0,68
5,5 …
1,2 …
2,5
5,8
1,3
12,5
9
500
13,6
0,34
330
10,2
0,7
300
7,7
0,9
3
6,8
1,4 …
17,5
11
650
14,5
0,4
430
11,0
0,9
400
9,0
1,2
Fig. 5.50. Sudarea prin puncte cu energie înmagazinată
În plus, posibilitatea utilizării pe scară largă a dispozitivelor de sudare asigură o precizie ridicată ansamblului sudat şi o creştere şi mai mare a productivităţii. Maşinile de sudat prin puncte se diferen ţiază funcţie de modul de acţionare al electrozilor (manual, pneumatic, hidraulic, mecanic), de felul în care se coordonează trimiterea curentului în circuit în raport cu exercitarea ap ăsării (mecanic, electronic) şi de felul sursei de curent folosite. Sub acest ultim aspect, transformatorul monofazat prezentat în schema de principiu este cea mai răspândită sursă. Totuşi, el prezintă dezavantajul încărcării asimetrice a reţelei de alimentare, din
care absoarbe o mare cantitate de energie într-un timp extrem de scurt. Pentru remedierea acestei situaţii, alimentarea se poate face prin transformatoare trifazice, prin transformatoare trifazice şi redresoare uscate (în curent continuu) sau cu energie înmagazinată. Înmagazinarea energiei electrice se poate face în baterii de condensatori (fig. 5.50), sau în acumulatoare electromagnetice (bobine). O categorie aparte de maşini de sudat prin puncte o constituie ma şinile cu pistolet sau cleşte de sudat. Aceste maşini au electrozii fixaţi într-un pistolet sau cleşte mobil, uşor de deplasat în diferitele locuri ale unor piese mari fixe (şasiuri, caroserii de automobile, maşini agricole, avioane etc.). Transformatorul şi instalaţiile aferente sunt suspendate de o grind ă, alimentând pistoletul prin cabluri mobile. Forţa de apăsare se exercita pneumatic sau electromagnetic.
Sudarea în linie Acest procedeu este asemănător sudării prin puncte, cu deosebire că în locul electrozilor se folosesc role din cupru apăsate pe piesele sudate (fig. 5.51, a). Ca şi în cazul precedent, rolele sunt confecţionate din aliaje de cupru, fiind răcite forţat cu apă. Pentru a se coordona în timp for ţa de apăsare, circulaţia curentului şi mişcarea de deplasare a pieselor, în vederea ob ţinerii unei succesiuni de puncte suprapuse, se pot utiliza urm ătoarele scheme de lucru: - rotirea continuă a rolelor sub apăsare constantă şi menţinerea continuă a curentului de sudare, ceea ce corespunde unei diagrame de funcţionare ca cea din figura 5.51, b ; - rotirea continuă a rolelor sub apăsare constantă şi deconectarea periodică a curentului (impulsuri de curent), ceea ce corespunde diagramei din figura 5.51, c ;
Fig. 5.51. Sudarea electrică prin rezistenţă în linie : 1 - piese ; 2 - role ; 3 - transformator.
Fig. 5.52. Exemple de îmbinări sudate în linie. - rotirea continuă a rolelor şi modularea curentului prin variaţia apăsării. (rezistenţa de contact depinde de forţa de apăsare ; v. sudarea prin puncte) ; - rotirea discontinuă cu apăsare constantă şi impulsuri de curent în timpul opririi. Dintre schemele prezentate, o răspândire mare o are rotirea continuă cu deconectarea periodică.
Domeniul de aplicare. Sudarea în linie are un domeniu de r ăspândire mai restrâns decât sudarea prin puncte din cauza unor dificultăţi de ordin mecanic în aplicarea apăsării şi din cauza uzurii rolelor. Procedeul se folose şte la sudarea pieselor cu grosime sub 3 mm, în cazul când se urmăreşte realizarea etanşeităţii, ca de exemplu rezervoare de combustibil pentru autovehicule (fig. 5.52, a), ţevi sau a rezistenţei mecanice sporite (carcase, profile sudate, fig. 5.52, b). Regimurile orientative de lucru se prezintă în tabelul 5.23.
Tabelul 5.23. Regimul de sudare în linie a pieselor din o ţel carbon grosimea
forţa de
intensitatea
durata
durata pauzei,
viteza,
pieselor s,
apăsare,
curentului,
impulsului,
în s
în m/min
în mm
în daN
în A
în s
0,5
250
10.600
0,02 …0,04
0,04
2,30
0,8
340
13.000
0,02 … 0,06
0,04
2,10
1
400
15.000
0,04 … 0,06
0,04
1,90
1,5
525
17.500
0,04 … 0,08
0,06
1,70
2
675
21.000
0,06 … 0,12
0,08
1,50
2,5
800
26.000
0,08 … 0,14
0,10
1,30
3
950
30.000
1,10 … 0,20
0,16
1,10
5.13.3. Alte procedee de sudare prin presiune la cald Sudarea, prin presiune la cald se poate realiza şi prin alte procedee de sudare la care sursa de căldură poate fi de altă natura decât efectul Joule al curentului electric.
Sudarea prin presiune cu încălzire cu flacără foloseşte ca sursă de căldură flacăra oxiacetilenică, fiind aplicată pieselor fig. 5.53, unde este reprezentat schematic modul de înc ălzire a pieselor în cazul câtorva procedee de sudare prin presiune. S ăgeţile marchează sursa de căldură şi direcţia de propagare a căldurii. Încălzirea pieselor la diferite procedee de sudare prin presiune, la care se poate asigura o încălzire uniformă, prin construirea unor arzătoare inelare.
Fig. 5.53. Încălzirea pieselor la diferite procedee de sudare prin presiune: a – electrică prin rezistenţă; b – cu flacără oxiacetilenică; c – electrică prin inducţie; d – prin frecare Din cauza dificultăţilor de obţinere a unei temperaturi uniforme, greu controlabile, procedeul are o folosire restrânsă.
Sudarea prin presiune cu încălzire prin inducţie foloseşte încălzirea pieselor cu ajutorul unor inductoare cu curenţi de joasă frecvenţă. Spre deosebire de procedeul anterior, căldura se produce direct în masa materialului pieselor ceea ce constituie un lucru foarte avantajos. În plus, încălzirea este rapidă, uşor controlabilă şi se poate suda în mediu protector de gaze. Procedeul se aplică cu succes la sudarea ţevilor pe generatoare.
Sudarea prin presiune cu înc ălzire prin frecare. În acest caz încălzirea pieselor se face prin frecarea lor, până la atingerea temperaturilor necesare refulării. Pentru aceasta, piesele se montează într-un dispozitiv în care o piesă rămâne fixă, iar cealaltă se poate roti şi deplasa axial, fiind apăsată pe cea fixă. Principalii parametri care condi ţionează sudarea sunt: forţa de apăsare şi timpul cât piesele sunt în contact. Acest procedeu de sudare se aplică pieselor cu grosime de la 6 la 50 mm de preferinţă bare sau ţevi. Temperatura de sudare, care e relativ joasă, permite obţinerea unor îmbinări sudate de
foarte bună calitate pentru numeroase materiale metalice, putându-se realiza şi sudarea unor piese din două materiale diferite.
Sudarea prin presiune cu arc electric de scurtă durată. La acest procedeu, aplicabil la sudarea capetelor unor tije pe table sau ţevi, se foloseşte un arc electric de scurtă durată, amorsat între capătul tijei care se asamblează şi cealaltă piesă, urmat de apăsarea tijei, ceea ce are drept rezultat îmbinarea sudată. Arcul electric pentru sudare se poate produce prin desc ărcarea unei baterii de condensatoare sau prin alimentarea de la o sursă de curent pentru sudare, obişnuită. Schema de principiu a primei variante este asem ănătoare cu cea a sudării prin puncte cu energie înmagazinată cu deosebirea că în acest caz, între piesele de sudare se amorsează un arc electric. Întreg procesul de sudare propriu-zis ă durează în jur de 15 milisecunde, timp în care bateria se descarcă iar tija subţiată la capătul de sudat se apropie de placă sub acţiunea unei forţe de apăsare furnizata de un arc. Adâncimea de pătrundere în placă este de 0,1 ... 0,3 mm, iar grosimea materialului topit între tijă şi placă are aproape aceeaşi valoare. Prin aceasta variantă se pot suda piese de tipul tijelor, cu diametrul pân ă la 6 mm, pe plăci relativ subţiri, ceea ce corespunde mecanicii fine, electronicii sau automaticii.
Fig. 5.54. Etapele sudării prin presiune cu arc electric de scurtă durată
Cea de a doua variantă, aplicabilă la sudarea unor tije mai groase, are o schem ă de principiu asemănătoare, însă etapele sudării sunt diferite (fig. 5.54). Arcul electric se amorseaz ă prin atingerea tijei de placă şi retragerea ei. Când topirea pieselor este suficient de avansat ă, tija este apăsată pe placă, iar curentul întrerupt. Sudura se formeaz ă în interiorul unei bucşe din material ceramic, amplasată în capătul pistoletului de sudare. Timpul necesar sudării propriu-zise (amorsării şi
arderii arcului electric) este variabil, funcţie de diametrul tijei sudate, fiind cuprins între 150 şi
500 milisecunde.
Sudarea prin presiune cu arc electric rotitor . Acest procedeu este aplicabil, de regulă, sudării cap la cap a ţevilor din oţel, cupru, aluminiu, nichel şi din aliajele acestora. Se amorsează un arc electric între capetele pieselor de sudat, aflate la o distan ţă de aproximativ 2 mm (fig. 5.55). Arcul capătă o mişcare de rotaţie cu ajutorul unui câmp magnetic creat de dou ă bobine care înconjoară piesele de sudat. În procesul de înc ălzire al celor două piese se disting două etape şi anume: o primă etapă de aprindere şi stingere repetată a arcului şi o a doua etapă, de rotire foarte rapidă a arcului între capetele pieselor. Durata etapei a doua este determinat ă de timpul necesar încălzirii capetelor pieselor pe întreaga lor suprafaţă frontală, până la atingerea temperaturii de topire. După realizarea încălzirii suficiente a capetelor are loc ap ăsarea pieselor, prin care se realizează sudarea lor.
Fig. 5.55. Sudarea prin presiune cu arc rotitor: SCS - sursa de curent pentru sudare ; SCB - sursa de curent pentru alimentarea bobinelor.
5.13.4. Sudarea prin difuzie (fig. 5.56). În acest caz interacţiunea la nivel atomic dintre cele dou ă materiale de sudat este concretizată în difuzia reciprocă prin suprafaţa de separare. Prin aplicarea unei presiuni din exterior asupra pieselor se realizează o deformare plastică la nivel microscopic a suprafeţelor de contact dintre acestea. Pentru accelerarea procesului de difuzie piesele se încălzesc la o temperatură de aproximativ 60 … 80% din temperatura de topire, folosindu-se de regulă sisteme cu inducţie. Procesul de sudare are loc în vid sau în atmosferă de gaz protector, ceea ce favorizează difuzia.
Fig. 5.56. Sudarea prin difuzie Cu cât temperatura de încălzire este mai mare, cu atât for ţa de presare şi timpul de menţinere sunt mai mici. Sudarea prin difuzie poate fi utilizată la sudarea oţelurilor carbon sau aliate, a metalelor neferoase şi a aliajelor acestora şi la sudarea unor cupluri de materiale greu sudabile prin alte procedee, ca de exemplu, oţel-aluminiu, cupru-oţel, metal-sticlă, metal-material ceramic etc.
5.13.5. Sudarea prin presiune la rece Unele procedee de sudare se pot realiza la temperaturi obişnuite, fără încălzirea materialelor sudate. Din această categorie fac parte :
Sudarea prin deformare plastică la rece, procedeu care constă în apăsarea pieselor una spre cealaltă astfel încât să se asigure întrepătrunderea materialului lor şi realizarea sudurii. Sudabilitatea metalelor la rece depinde de plasticitatea lor şi de starea suprafeţelor în contact. În funcţie de tipul îmbinărilor realizate, sudarea prin ,deformare plastică la rece se poate face cap la cap (fig. 5.57, a), sau prin suprapunere (fig. 5.57, b). Procedeul se aplică pieselor din aluminiu sau cupru ca de exemplu, la sudarea conexiunilor electrice, a ţevilor sudate longitudinal, cutiilor de conserve şi recipienţilor de diferite tipuri ;
Sudarea prin explozie. Un şoc puternic produs între două piese poate produce o sudare a lor dacă sunt îndeplinite anumite condiţii. Pentru a se produce sudarea este necesar ă o viteză de impact foarte mare (120... 200 m/s), produs ă prin detonarea unui exploziv. Pentru a ob ţine un efect însemnat, cele două piese se aşează înclinat (fig. 5.58), unghiul de înclinare având valoarea sub 5°. Acest procedeu de sudare îşi găseşte aplicabilitate la obţinerea tablelor placate (cupru, nichel, titan, argint pe oţel) cu suprafaţă de la câţiva cm2, la câţiva m2, la efectuarea conexiunilor
cablurilor liniilor de transport a energiei electrice (din aluminiu sau cupru) sau în alte locuri, în care este greu să se realizeze o îmbinare sudată, fie datorită naturii materialelor, fie datorită lipsei energiei sau manoperei necesare obţinerii unei suduri prin topire.
Sudarea cu ultrasunete. Două piese strânse între un vibrator şi o placă de bază se pot suda datorită vibraţiilor transversale produse de vibrator (sonotrod). Datorită vibraţiilor se produc fricţiuni locale între suprafeţele în contact, spargerea peliculelor de oxizi, creşterea locală a temperaturii, deformaţii plastice localizate, ceea ce are ca rezultat întrepătrunderea suprafeţelor în contact. Schema de lucru (fig. 5.59) corespunde sudării prin puncte sau în linie, ap ăsarea exercitându-se pneumatic, hidraulic sau cu ajutorul unui resort.
Fig. 5.57. Sudarea prin deformare plastică la rece: 1 - piese sudate ; 2 - matriţă ; 3 - bavură ; 4 - canal de bavură ; 5 - poanson.
Fig. 5.58. Sudarea prin explozie : 1 - piesă ; 2 - material exploziv ; 3 amortizor ; 4 - detonator ; 5 - placă de bază.
Fig. 5.59. Sudarea cu ultrasunete : l - piese ; 2 - sonotrod ; 3 - concentrator ; 4 - transductor.
Procedeul se aplică, în special la sudarea pieselor în form ă de foi. Cel mai bine se sudeaz ă aluminiul, însă se pot suda şi alte materiale ca, de exemplu, metalele refractare. Dat ă fiind absenţa topirii, se obţin rezultate bune şi la sudarea metalelor diferite şi chiar a unor metale cu nemetale. Procedeul constituie soluţia ideală de sudare a unor piese fine pe piese groase, a firelor şi a pieselor delicate, în general, executate din materiale metalice sau din materiale plastice.
5.14. Structura îmbinărilor sudate. tratamente termice aplicate pieselor sudate La studierea structurilor existente într-o îmbinare sudată trebuie să se ia în considerare atât structura sudurii propriu-zise provenită din solidificarea băii de metal topit, cât şi cea a metalului de bază influenţat termic. Ca urmare a încălzirii şi răcirii în procesul sudării se constată apariţia unor structuri tipice, diferenţiate, funcţie de distanţa punctelor respective fală de axa sudurii (fig. 5.60). În vecin ătatea sudurii, acolo unde temperatura a atins valori mari şi s-a produs supraîncălzirea austenitei, este posibilă formarea unei structuri Widmanstätten. Se succed apoi zone cu grăunţi fini, specifice structurilor de normalizare, apoi zone cu structuri confuze specifice temperaturilor atinse. În funcţie de compoziţia chimică a oţelului şi de viteza de r ăcire este posibil să se producă şi constituenţi de călire. Rezultă de aici că în ansamblu, îmbinarea sudată, prin existenţa în ea a unor structuri foarte diferite - dintre care unele extrem de periculoase reprezintă o îmbinare susceptibilă la o rupere fragilă, atât în zona sudurii cât şi în cea învecinată. Pentru a se preveni distrugerea pieselor sudate este necesar să se aplice acestora tratamente termice corespunzătoare. Astfel, pentru corectarea structurilor şi ameliorarea proprietăţilor mecanice ale cusăturilor sudate (în special tenacitatea) se aplic ă recoacerea de normalizare. În cazurile în care prin normalizare ar ap ărea pericolul deformării ansamblului sudat sub acţiunea tensiunilor produse la răcirea în aer şi de mărire a durităţii cusăturii sudate, se aplică recoacerea completă. În alte cazuri, pieselor sudate li se aplic ă doar o recoacere de detensionare.
Fig. 5.60. Microstructura unei îmbinări sudate : 1 - structură dendritică a sudurii (structură de turnare) ; 2 - structură cu
grăunţi mari, de
supraîncălzire ; 3 - structură cu grăunţi fini (de normalizare) 4 - structură a materialului de bază, neinfluenţat termic.
De regulă, tratamentele termice ale structurilor sudate se evită datorită costului lor ridicat. Se preferă luarea în timpul sudării a tuturor măsurilor care conduc la scăderea energiei liniare introdusă în sudarea fiecărui strat, la scăderea volumului băii de metal topit şi a contracţiilor. În ultimă instanţă, tratamentelor termice aplicate sudurilor li se preferă preîncălzirea componentelor supuse sudării. O atenţie deosebită se acordă acestor aspecte, mai ales în cazul o ţelurilor cu conţinut mediu şi ridicat de carbon, ca şi oţelurilor aliate, ce au sudabilitate scăzută.
Pentru micşorarea pericolului de fisurare, piesele cu conţinut mediu de carbon se preîncălzesc la 200 ... 300°C, iar cele cu con ţinut ridicat de carbon, la 300...350°C. Sudarea se face (cu electrozi bazici de mare rezistenţă) în straturi subţiri, pentru a se introduce în materialul de bază o energie liniară cât mai mică, în cicluri repetate. În ambele cazuri, înainte de răcirea pieselor se face o recoacere la temperatura de 675 ... 700°C, cu răcirea în cuptor până la 100 ... 150°C, iar apoi în aer. Stabilirea prin calcul a temperaturilor de preîncălzire şi a celei de recoacere este relativ complicată. Unele calităţi de oţeluri aliate sunt sudabile, după o preîncălzire conform indicaţiilor date de standardele materialelor respective, sau conform unui calcul relativ complicat, în baza unei metodici elaborate de I.I.S. În afară de tratamentul termic corespunzător, la sudarea acestor oţeluri se iau măsuri de alegere a electrozilor având compoziţie chimică şi proprietăţi mecanice similare cu cele ale metalului de bază. Măsurile de precauţie enumerate anterior se iau cu atenţie mărită, cu atât mai mult cu cât elementele de aliere sunt în cantitate mai mare.
5.15. Defectele îmbinărilor sudate 5.15.1. Generalităţi Sudura, ca rezultat al unor procese complexe de natur ă fizică, chimică, metalurgică, este susceptibilă la apariţia unor defecte foarte variate. Aceste defecte afecteaz ă atât metalul cusăturii, cât şi cel aflat în zona învecinată (ZIT). Datorită numărului mare de factori care afectează formarea cusăturii, defectele sudurilor sunt foarte diferite, depinzând de felul procedeului de sudare, de natura metalului de bază, de tipul îmbinării sudate etc. Se consideră defect al sudurii orice abatere de la continuitatea, forma, dimensiunile, aspectul exterior, structura şi compoziţia chimică, prescrise pentru cusătură, în normative sau caiete de sarcini, conducând în final la o diminuare a rezistenţei mecanice a sudurii sau afectând într-altfel, în mod defavorabil, comportarea în exploatare a îmbin ării sudate.
Noţiunea de defect al sudurii este convenţională şi relativă. În funcţie de normativele considerate sau de condiţiile tehnice contractuale, aceeaşi abatere poate constitui uneori un defect inadmisibil, alteori un defect admisibil sau remediabil. Natural, că în cadrul manualului de faţă nu este posibil să se treacă în revistă toate defectele posibile. Din considerente de ordin practic, se vor trata în continuare câteva tipuri de defecte, cauzele care le produc şi soluţiile pentru evitarea apariţiei lor. Din aceleaşi considerente se vor trata aici şi deformaţiile pieselor sudate, care se referă nu numai la cusătura sudată respectivă, ci şi la întreaga construcţie sudată.
5.12. Tensiuni şi deformaţii în piesele sudate În urma procesului de sudare, în piesele asamblate î şi fac apariţia tensiuni interne, ce au o importanţă deosebita în privinţa bunei funcţionări a ansamblului respectiv. Tensiunile la sudare se clasifică după provenienţa lor, în: - tensiuni termice, cauzate de încălzirea şi repartizarea neuniformă a căldurii; - tensiuni structurale, apărute ca urmare a traversării punctelor de transformare ale aliajelor în timpul încălzirii şi răcirii pieselor; tensiunile structurale sunt înso ţite întotdeauna de tensiuni termice. Din punctul de vedere al duratei lor, tensiunile pot fi: - tensiuni temporare (de scurtă durată); - tensiuni remanente (care persistă şi după răcirea piesei sudate). Tensiunile termice apar ca urmare a ciclului termic la care este supus ă piesa sudată. Temperaturile atinse în diverse puncte ale piesei pot s ă aducă materialul în stare plastică, deci tensiunile care apar în acest domeniu vor putea provoca piesei, deforma ţii plastice remanente. În cazul în care tensiunile acţionează în domeniul elastic deformaţiile se resorb după răcirea totală a piesei sudate. Tensiunile structurale apar ca urmare a traversării punctelor de transformare ale aliajului în timpul încălzirii şi răcirii pieselor sudate. În cazul metalelor aflate în stare plastic ă, schimbările de volum nu sunt însoţite de apariţia tensiunilor. În momentul sudării, straturile de metal din vecinătate, în cazul oţelului, sunt aduse la temperatura punctului Ac 1 şi apoi la cea a punctului Ac 3. Transformarea austenitică este însoţită de o micşorare a volumului (curba 1 în figura 5.61). La răcirea înceată, descompunerea austenitei are loc la aceeaşi temperatură, apărând o creştere a volumului fără însă a se produce tensiuni (curba 2). La răcirea rapidă sau în cazul unui oţel cu elemente de aliere, această schimbare de volum are loc la temperaturi mai scăzute (curba 3).
Descompunerea austenitei începe la temperaturi mai joase, rezultatul ei fiind produse de tip martensitic sau asemănătoare, trecerea fiind însoţită de o sensibilă creştere de volum. Aceste schimbări de volum la temperaturi scăzute, când aliajul se află în domeniul elastic, vor fi însoţite de tensiuni – numite tensiuni structurale. Această dilatare bruscă are loc în faza în care cusătura şi zona înconjurătoare se contractă, fiind sub acţiunea unor eforturi unitare de întindere foarte mari; de aceea în cusătură şi în metalul de bază se pot forma crăpături.
Fig. 5.61 Modificările de volum produse la încălzirea şi răcirea oţelului în timpul sudării Acţiunea simultană a încălzirii neuniforme, a contracţiei metalului cusăturii şi a modificărilor structurale în zona influenţată termic, pot crea în piesă o stare tensională complexă, care este cu atât mai periculoasă, cu cât cusăturile sunt dispuse mai neraţional în spaţiu şi cu cât forma piesei este mai complicată. În timpul exploatării piesei tensiunile proprii se adună la tensiunile care apar în piesă sub acţiunea sarcinilor exterioare, aşa încât depăşesc rezistenţa la rupere a metalului, provocând o ruptur ă.
5.15.3. Prevenirea si combaterea tensiunilor interne şi a deformaţiilor Prevenirea şi combaterea tensiunilor interne şi a deformaţiilor este posibilă printr-o serie de măsuri cu caracter constructiv sau tehnologic. Măsuri constructive. Pe baza unor determinări experimentale sau prin calcul se stabilesc valorile tensiunilor remanente pentru îmbinări sudate tipice sau pentru piese simple. Ţinându-se seama de aceste rezultate, în cazul concret al pieselor, se alege acea construcţie care asigură o repartizare cât mai uniformă a tensiunilor interne, ţinându-se seama de următoarele recomandări : - se vor evita piesele excentrice sau cu elemente nesimetrice; - a şezarea elementelor piesei sau formarea secţiunii se realizează în a şa fel încât suma momentelor
volumelor de metal depus faţă de axa de simetrie să fie zero sau cât mai aproape de această valoare (fig. 5.62, a); - unele secţiuni asimetrice, care se execută cu două cusături, pentru echilibrare, se pot realiza cu o cusătură continuă şi una discontinuă (fig. 5.62, b).
Măsuri tehnologice: - preîncălzirea pieselor, pentru înlăturarea neuniformităţii încălzirii şi reducerea vitezei de răcire. Se aplică mai ales la piesele din oţel cu mult carbon, oţel aliat, fontă etc. Preîncălzirea se poate realiza prin inducţie, cu flacără oxiacetilenică, în cuptoare etc.; - tratamentul termic de recoacere de detensionare după sudare în vederea înlăturării tensiunilor interne produse la sudare, precum şi a celor de la prelucr ările precedente ; - ciocănirea cusăturii sudate pentru echilibrarea tensiunilor interne ; - încălzirea uniformă a piesei în timpul sudării şi egalizarea deformaţiilor prin anumite metode de depunere a metalului (fig. 5.63); - deformarea inversă a elementelor construcţiei sudate (fig. 5.64); - fixarea rigidă a pieselor în timpul sudării prin puncte de sudură sau prin prinderea lor în dispozitive de sudare etc.
Fig. 5.62. Măsuri constructive pentru evitarea apariţiei tensiunilor şi deformaţiilor
Fig. 5.63. Metode de realizare a cus ăturilor sudate ale tablelor groase : a - sudarea întreruptă; b - sudarea în cascadă; c - sudarea succesivă pe ambele părţi; 1 … 7 - ordinea depunerii metalului de adaos.
5.15.4. Crăpături în piesele sudate Dintre defectele îmbinărilor sudate, crăpăturile (fisurile) reprezintă defecte deosebit de importante prin efectele pe care le pot avea asupra rezisten ţei mecanice şi integrităţii construcţiei sudate. Clasificarea crăpăturilor se face, de obicei, după temperatura la care ele se produc. Această clasificare, deşi foarte utilă, este mai puţin precisă, pentru că, de fapt, fisurarea se poate produce la orice temperatură.
Totuşi se face o distincţie netă între crăpăturile denumite crăpături la cald, ce apar deasupra temperaturii de circa 900°C, sunt intercristaline şi cu culori închise, asemănătoare celor de revenire şi crăpăturile la rece, ce se produc sub circa 600°C şi sunt intracristaline.
Pentru formarea fisurilor sunt necesare două condiţii : - existenţa unui câmp de tensiuni, reduse în principal la eforturi de trac ţiune; - prezenţa unei eterogenităţi. Necesitatea tensiunilor este evidentă : formarea unei fisuri implică deplasarea relativă a unor porţiuni vecine din masa metalică. Condiţia de eterogenitate se introduce natural, pentru faptul c ă metalul şi - în particular oţelul, considerate la scară microscopică sunt suficient de plastice pentru a permite deformaţia corespunzătoare deschiderii fisurii. Aceasta din urmă se va forma într-un loc precis, în care plasticitatea metalului este local diminuată sau în care rezistenţa la tracţiune este anormal de mică. Eterogenitatea în cauză poate fi de natură chimică, structurală sau mecanică. Fisurarea la cald este cunoscută din turnătorie: oţelul turnat este în particular sensibil la acest redutabil defect de turnare, dificil de evitat. Pe lângă mecanismul de formare a fisurilor la cald, deja cunoscut, în suduri este posibil ca în ultimele cantităţi de metal lichid ce se solidific ă să se formeze eutectice pe bază de sulf, siliciu sau alte elemente, care au un punct de topire scăzut (chiar sub 1000°C). Eutecticii rămân în stare lichidă un anumit timp după solidificarea oţelului şi, dacă îşi fac apariţia tensiuni interne, este posibil să se formeze fisuri. Fisurarea la rece se produce pe baza tensiunilor apărute în timpul transformărilor structurale sau din cauza gazelor dizolvate în metal. Fără a putea afirma că hidrogenul este cauza efectivă a fisurării la rece, trebuie remarcat faptul c ă acest element gazos poate fi un important factor de favorizare a fisurării. Atmosfera gazoasă care înconjoară baia de metal topit conţine întotdeauna hidrogen, iar în unele cazuri (electrod cu înveliş ce conţine materii organice) chiar foarte mult. Metalul lichid absoarbe inevitabil hidrogen. În paralel se va produce şi absorbţia azotului care va fi considerabilă ţinând
seama de faptul c ă solubilitatea acestor gaze în fier creşte puternic cu temperatura
(fig. 5.65). În cursul solidificării şi răcirii ulterioare, soluţia va rămâne suprasaturată; azotul se va degaja foarte dificil ca urmare a tendinţei sale de a forma nitruri. Hidrogenul, dimpotrivă difuzează rapid deasupra temperaturii de 500°, în timp ce la temperaturi mai joase difuziunea la distan ţă mare devine neglijabilă. La temperatură joasă, hidrogenul atomic difuzează pe distanţe scurte către golurile reţelei (dislocaţii şi microporozităţi) unde formează molecule de hidrogen care nu mai pot practic să difuzeze. În cazul unei suprasatur ări puternice se poate produce o creştere a presiunii suficient de mare, pentru ca apăsarea datorată ei să depăşească rezistenţa la rupere la tracţiune a materialului respectiv şi să apară fisura. Propagarea în continuare a microfisurii nu mai este posibilă, deoarece presiunea hidrogenului scade repede în timpul fisurării; aceasta explică de ce spre
deosebire de crăpăturile la cald care au o lungime mare (milimetri sau zeci de milimetri), crăpăturile la rece sunt de fapt microfisuri de câteva zecimi de milimetru lungime.
Fig. 5.64. Realizarea unei construcţii sudate fără deformaţii, prin deformare inversă a pieselor sudate : 1, 2 - piesele sudate.
Fig. 5.65. Variaţia solubilităţii hidrogenului şi azotului în fier L – starea lichidă; α, β, δ – starea solidă a Fe. Pentru prevenirea apariţiei crăpăturilor la cald se pot adopta urm ătoarele măsuri : - limitarea conţinutului de sulf al o ţelului la maximum 0,025% ; - alegerea corectă a regimurilor de sudare (o intensitate prea mare duce la încălzirea excesivă a băii de metal topit, mărind diferenţele de temperatură, ce duce la accentuarea tensiunilor interne); - utilizarea preîncălzirii. Pentru prevenirea apariţiei crăpăturilor la rece se pot adopta următoarele măsuri : - micşorarea conţinutului de hidrogen din jurul băii de metal topit prin utilizarea unor electrozi lipsiţi de umiditate, curăţirea pieselor ce urmează a se suda de apă, pete de grăsimi sau alte produse organice, sudarea în mediu protector de gaze ; - micşorarea tensiunilor structurale prin reducerea vitezei de răcire ca urmare a preîncălzirii. Având în vedere faptul că multe crăpături au caracter superficial, se recomandă curăţirea cusăturilor sudate şi a zonelor învecinate, prin polizare.
5.15.5. Alte defecte În cusăturile sudate se pot forma nenumărate alte defecte, cauzate de : - pătrunderea gazelor în cusătură (pori şi sufluri) ; - pătrunderea unor substanţe străine (incluziuni nemetalice sau metalice) etc. (v. STAS 7084-81).
Evaluare
1. Sudabilitatea oţelurilor depinde în primul rând de: a. b. c. d. e.
compoziţia chimică; structura cristalină; natura materialului de adaos; natura învelişului electrodului de sudură; prezenţa gazelor protectoare.
3. Care din următoarele procedee se utilizează pentru sudarea în atmosferă de gaze protectoare? a. b. c. d. e.
sudarea cu termit; sudarea în mediu de hidrogen atomic; sudarea automată sub strat de flux; sudarea prin presiune în puncte şi linie; sudarea cu plasmă.
2. Care din următoarele procedee de sudură se utilizează pentru sudarea pieselor foarte groase (1000 mm)?
4. La sudarea cu plasmă, sursa de căldură necesară topirii este:
a. sudarea manuală cu arc electric; b. sudarea cu flacără oxiacetilenică; c. sudarea în baie de zgură;
a. energia chimică; b. energia radiaţiilor electromagnetice (laser) c. energia ultrasunetelor;
d. e. sudarea sudarea cu cu termit; fascicul de electroni.
ă; d. electric ţiilor e. energia energia radia corpusculare (fascicul de electroni).
