C. 2.

1.3. Parametrii tehnologici la sudarea prin topire cu arcul electric (AE)

Procedeele de sudare prin topire cu AE se caracterizează printr-o serie de mărimi numite parametrii tehnologici.. Aceşti parametri pot fi împărţiţi în 3 grupe după cum urmează:

1. Parametri tehnologici principali (primari) PT1 :a. Curentul de sudare Is (A): definit de valoarea curentului care trece prin arcul

electric în timpul sudării;b. Tensiunea arcului Ua (V): definită de valoarea tensiunii măsurată la bornele sursei

de sudare când arde arcul electric;c. Viteza de sudare vs (mm/s; cm/min; m/h): definită de viteza cu care se deplasează

AE în lungul rostului.Cei trei parametri principali pot fi reuniţi într-o mărime numită energia liniară El

(J/cm; kJ/cm) care defineşte cantitatea de căldură introdusă în componentele care se sudează, în timpul sudării, şi exprimată prin relaţia:

(J/cm)

unde: Is – curentul de sudare (A);Ua – tensiunea arcului (V);vs – viteza de sudare (cm/s);η – randamentul de transfer a căldurii arcului în componente.: depinde de

procedeul de sudare după cum urmează:

(J/cm)

unde: vs – viteza de sudare (cm/min)

(J/cm)

unde: vs – viteza de sudare (m/h).Obs.: 1J = 1V x 1A x 1s.

Randamentul de transfer η depinde în principal de procedeul de sudare după cum urmează:

- la sudarea SE: η = 0,75 … 0,85;- la sudarea SF: η = 0,90 … 0,95;- la sudarea MIG/MAG: η = 0,7 … 0,9;- la sudarea WIG: η = 0,3 … 0,5;Parametrii tehnologici principali (primari) influenţează forma cusăturii,

elementele geometrice ale cusăturii şi ZIT-ului, stabilitatea arcului electric, productivitatea sudării (sau rata depunerii AD definită de cantitatea de metal md depusă în unitatea de timp:AD = md/t – gr/s; kg/h), stropirile, estetica cusăturii, etc..

2. Parametri tehnologici secundari PT2 .

Au influenţă asupra parametrilor tehnologici principali PT1 şi implicit asupra geometriei cusăturii şi stabilităţii arcului electric. Principalii PT2 sunt:

a. Lungimea arcului la (mm): definită ca distanţa dintre vârful electroduluişi suprafaţa componentelor (băii metalice), fig. 1.a;

b. Lungimea capătului liber a sârmei electrod lcl (mm): definită ca distanţa dintre suprafaţa frontală a duzei de contact şi suprafaţa componentelor (uneori, SUA, definită ca distanţa dintre suprafaţa frontală a duzei de contact şi vârful sârmei electrod care întreţine arcul electric); este specific procedeelor de sudare sub flux SF şi în mediu de gaze protectoare MIG/MAG, fig. 1.b;

c. Viteza de avans a sârmei electrod vas (vae) (m/min; m/h): definită de viteza cu care este antrenată sârma electrod în arcul electric pentru întreţinerea stabilităţii acestuia; specifică de asemenea sudării SF şi MIG/MAG, respectiv sudării WIG cu introducere mecanizată a sârmei electrod (sudarea orbitală a ţevilor), fig. 1.c;

d. Poziţia relativă a electrodului faţă de suprafaţa componentelor (º): definită de unghiul de înclinare a electrodului faţă de sensul de sudare; permite definirea a două noţiuni, fig. 1.d:

a. Sudarea spre dreapta sau “prin tragerea cusăturii”, prin înclinarea electrodului cu unghiul (− ) sau în sensul de sudare;

b. Sudarea spre stânga sau “prin împingerea cusăturii”, prin înclinarea electrodului cu unghiul (+ ) sau în sens contra sensului de sudare.

a. b. c. d.

Figura 1. Definirea parametrilor tehnologici secundari PT23. Parametri tehnologici terţiari PT3. Definesc parametrii care nu pot fi modificaţi în timpul sudării. Principalii PT3 sunt:

a. Diametrul electrodului de, diametrul sârmei electrod ds, sau diametrul vergelei (baghetei) dv (mm); în cazul electrozilor înveliţi diametrul electrodului este dat de diametrul vergelei fără înveliş;

b. Caracterul învelişului, fluxului, miezului : acid, bazic, celulozic, rutilic, etc.;c. Felul protecţiei: prin înveliş la sudarea SE, prin flux la sudarea SF, prin gaz de

protecţie la sudarea MIG/MAG, WIG, prin miez la sudarea cu sârmă tubulară:;d. Natura şi polaritatea curentului: arcul electric poate funcţiona în curent continuu

CC (DC-engleză) sau în curent alternativ CA (AC-engleză). În curent continuu se poate suda cu polaritate directă CC- sau cu polaritate inversă CC+. Polaritatea

directă se obţine prin conectarea electrodului la borna minus a sursei de sudare (ex. sudarea cu electrozi cu înveliş titanic), iar polaritatea inversă prin conectarea electrodului la borna plus a sursei de sudare (ex. sudarea cu electrozi cu înveliş bazic).

e. Tensiunea minimă de mers în gol a sursei U20 (V), specifică în cazul sudării în curent alternativ pentru asigurarea stabilităţii arcului electric (de ex. pentru electrozii româneşti U20 50 V).

1.4. Elementele geometrice ale îmbinării sudatePe lângă structură şi compoziţie chimică, geometria cusăturii are un rol important

pentru asigurarea calităţii îmbinării sudate. Dpdv geometric îmbinarea sudată se caracterizează prin următoarele elemente (pentru simplificare, definite cu ajutorul unei depuneri), fig. 2.

Figura 2. Definirea elementelor geometrice ale suduriiunde: Ac = A’ + A” – aria cusăturii;

A’ – aria metalului depus;A”

– aria metalului de bază topit;ZIT – zona influenţată termic;p – pătrunderea cusăturii;P – pătrunderea ZIT-ului;b – lăţimea cusăturii;B – lăţimea ZIT-ului;h – supraînălţarea cusăturii; - coeficientul de formă al cusăturii: = b/p (1,5 … 3) la sudarea cu AE.

Coeficientul de formă influenţează asupra modului de cristalizare a băii metalice (creşterea competitivă a grăunţilor) respectiv asupra pericolului de fisurare a cusăturii la solidificarea acesteia prin aglomerarea segregaţiilor în mijlocul cusăturii.

Similar pot fi definite elementele geometrice ale cusăturii pentru o îmbinare cap la cap sau o îmbinare de colţ pătrunsă. În cazul îmbinărilor de colţ nepătrunse se definesc două elemente geometrice specifice şi anume:

- grosimea cusăturii (sudurii) “a”: definită ca înălţimea triunghiului isoscel inscris în cusătură; grosimea sudurii “a” rezultă din calculul de rezistenţă a sudurii şi are valoarea minimă de 3 mm (“a” 3 mm); în cazul îmbinărilor de rigidizare sau de legătură grosimea “a” se ia în general constructiv;

- mărimea catetei “z” egală cu valoarea catetei triunghiului isoscel înscris în îmbinarea sudată; mărimea catetelor pot fi egale (în general) sau inegale (cateta orizontală mai mare).

În cazul diferitelor forme ale suprafeţei exterioare a sudurii cele două mărimi se definesc ca în fig. 3:

Figura 3. Definirea grosimii sudurii de colţa. îmbinare de colţ nepătrunsă cu suprafaţă exterioară plană;b. îmbinare de colţ nepătrunsă cu suprafaţă exterioară convexă;c. îmbinare de colţ nepătrunsă cu suprafaţă exterioară concavă;d. îmbinare de colţ nepătrunsă cu suprafaţă exterioară plană şi catete inegale.

1.5. Influenţa parametrilor tehnologici de sudare asupra geometriei cusăturiiGeometria cusăturii este influenţată în principal de procedeul de sudare respectiv

de energia liniară introdusă în componente la sudare. În cadrul aceluiaşi procedeu elementele geometrice ale sudurii sunt influenţate diferit de către parametrii tehnologici de sudare prezentaţi anterior, după cum urmează:Obs. Influenţa unui parametru tehnologic asupra elementelor geometrice se analizează prin modificarea acestuia menţinând ceilalţi parametri constanţi.

1. Curentul de sudare I s. Acţionează în principal asupra pătrunderii “p” în sensul că o dată cu creşterea curentului, pătrunderea creşte. Explicaţia este dată de creşterea puterii arcului o dată cu creşterea curentului de sudare conform relaţiei:

Pa = ηxUaxIs (W)unde: η – randamentul arcului electric (η= 1 la sudarea în CC, respectiv η = 0,7 … 0,9 la sudarea în CA).

Creşterea puterii arcului electric determină creşterea cantităţii de căldură degajate în arc ceea ce produce o încălzire şi o topire mai puternică a metalului de bază şi deci creşterea pătrunderii. Creşterea curentului determină creşterea forţei de refulare (de împingere) a băii metalice de sub arcul electric favorizând astfel creşterea patrunderii prin creşterea randamentului arcului. Această creştere a pătrunderii o dată cu creşterea curentului tinde spre o valoare limită la care forţa de refulare a arcului este echilibrată de greutatea băii metalice care menţine metalul topit sub arc.

Dpdv economic creşterea curentului determină şi creşterea cantităţii de metal topit din materialul de adaos şi deci creşterea productivităţii la sudare (creşterea ratei depunerii AD).

Curentul de sudare acţionează şi asupra celorlalte elemente geometrice şi anume creşterea curentului conduce la creşterea lăţimii cusăturii respectiv la creşterea supraînălţării ca efect a creşterii lungimii arcului respectiv a creşterii volumului de metal depus pe unitatea de lungime.

2. Tensiunea arcului U a. Acţionează în principal asupra lăţimii cusăturii”b”, creşterea tensiunii arcului determinând creşterea lăţimii şi invers. Creşterea tensiunii este echivalentă d.p.d.v. fizic cu creşterea lungimii arcului “la”, fig. 4.

Figura 4. Influenţa tensiunii arcului asupra lătimii cusăturii

Se observă că prin creşterea lungimii arcului are loc o repartizare (distribuţie) a căldurii arcului pe o suprafaţă mai extinsă a componentelor ceea ce conduce la topirea metalului de bază pe o zonă mai mare la suprafaţa acestuia echivalentă cu creşterea lăţimii cusăturii. Pe de altă parte deşi prin creşterea tensiunii arcului se observă că puterea acestuia creşte, transferul de căldură în componente scade prin pierderile de energie în exterior prin supafaţa coloanei arcului ceea ce diminueaa creşterea pătrunderii la creşterea tensiunii arcului (pătrunderea rămâne aproape constantă). Creşterea lăţimii cusăturii conduce totodată la scăderea supraînălţării cusăturii ca efect a creşterii lăţimii acesteia.

3. Viteza de sudare v s. Influenţează asupra tuturor elementelor geometrice ale cusăturii după cum urmează:

- creşterea vitezei de sudare determină scăderea pătrunderii “p”, micşorarea lăţimii cusăturii “b” ca efect a scăderii energiei liniare introduse în componente, respectiv scăderea supraînălţării “h” prin diminuarea cantităţii de metal depus pe unitatea de lungime;

- în cazul vitezelor foarte mari de sudare, specifice procedeelor de sudare mecanizate, creşterea vitezei de sudare duce paradoxal la creşterea supraînălţării şi formarea unei cusături înguste şi cu denivelări (“cocoaşe”) ca urmare a energiei liniare foarte mici introduse în metalul de bază care determină solidificarea rapidă a metalului topit respectiv topirea pe o zonă îngustă a metalului de bază; metalul topit nu mai are timp să se scurgă pe suprafaţa componentelor; este cauza principală care limitează în aceste cazuri viteza de sudare.

4. Diametrul electrodului d e. Acţionează invers proporţional asupra pătrunderii “p” adică pentru o valoare dată a curentului de sudare scăderea diametrului electrodului (sârmei) conduce la creşterea pătrunderii şi invers. Aceasta se explică prin creşterea densităţii de curent o dată cu reducerea diametrului şi prin urmare concentrarea căldurii arcului şi forţa de refulare a acestuia cresc puternic.

Se observă că densitatea de curent creşte proporţional cu pătratul raportului diametrelor celor doi electrozi. De exemplu în cazul a două sârme cu diametrul de 4 mm respectiv 2,5 mm densitatea de curent în cazul sârmei subţiri este de 2,5 ori mai mare ca în cazul sârmei mai groase.

5. Polaritatea curentului . Are o influenţa total diferită asupra geometriei cusăturii de la un procedeu de sudare la altul, determinată de repartiţia căldurii arcului la anod respectiv catod. Această influenţa va fi tratată ulterior la analizarea procedeelor de sudare. Ca o regulă generală însă se apreciază că pătrunderea cusăturii “p” este mai mare la sudarea în polaritate directă comparativ cu polaritatea inversă. Excepţie face sudarea MIG/MAG şi sudarea SF cu sârme subţiri unde lucrurile se petrec invers şi anume pătrunderea este mare la

sudarea în polaritate inversă. Rata depunerii diferă de asemenea în funcţie procedeu şi polaritate.

6. În clinarea electrodului . Are influenţa tehnologică majoră asupra geometriei cusăturii şi în principal asupra pătrunderii, fig. 5.

Figura 5. Inflenţa înclinării sârmei electrodÎn cazul “arcului tras” (înclinare cu unghiul - ), fig. 5.c, forţa de refulare a

arcului “împinge” metalul topit din zona de incidenţă în spate pe cusătură favorizând creşterea pătrunderii. Concomitent lăţimea cusăturii scade şi supraînălţarea creşte.

În cazul “arcului împins” (înclinare cu unghiul + ), fig. 5.a, forţa de refulare “împinge” metalul topit în faţa arcului , pe suprafaţa componentelor ceea ce scade randamentul de transfer al căldurii la material datorită peliculei de metal topit care se interpune între arc şi metalul de bază (temperatura arcului este de 4000-7000ºC, iar temperatura băii ajunge la 1800-2000ºC). Prin urmare pătrunderea cusăturii scade, lăţimea creşte, iar supraînălţarea scade ceea ce îmbunătăţeşte estetica cusăturii. Apare însă pericolul lipsei de topire a metalului de bază.

Pornind de la aceste constatări rezultă că sudarea cu arc tras (“sudarea spre dreapta”) se recomandă la sudarea tablelor groase unde este necesară o pătrundere mare, respectiv sudarea cu arc împins (“sudare spre stânga”) se recomandă la sudarea tablelor subţiri pentru evitarea pericolului de străpungere a componentelor, la operaţii de încărcare prin sudare pentru diminuarea diluţiei sau la sudarea îmbinărilor de colţ când se doreşte un aspect plăcut al suprafeţei exterioare (convexitate mică).

1.6. Clasificarea îmbinărilor sudateSe poate face după mai multe criterii:

1. în funcţie de poziţia relativă a componentelor, fig. 6:a. îmbinări sudate cap la cap, fig. 6a, 6.d;b. îmbinări sudate de colţ, fig. 6.b, 6e:

b1 – în T, fig. 6.b1, 6.e;b2 – în L, fig. 6.b2.

c. îmbinări sudate prin suprapunere, fig. 6.c.

Figura 6. Clasificarea îmbinărilor sudate funcţie de poziţia relativă a componentelor2. în funcţie de pătrundere:

a. îmbinări sudate nepătrunse (cap la cap, fig. 6.d sau de colţ, fig. 6.b1-3, 6.e);b. îmbinări sudate pătrunse (cap la cap, fig. 6.a sau de colţ, fig.6.b1-4):

b1 - cu completare la rădăcină;b2 - cu prelucrare şi resudare la rădăcină.

3. în funcţie de simetria îmbinării (care poate fi definită atât faţă de axa orizontală cât şi faţă de axa verticală a sudurii:

a. îmbinări sudate asimetrice (cap la cap sau de colţ, pătrunse sau nepătrunse);b. îmbinări sudate simetrice (cap la cap sau de colţ, pătrunse sau nepătrunse).

4. în funcţie de omogenitatea îmbinării:a. îmbinări sudate omogene (componente din materiale de bază identice);b. îmbinări sudate neomogene, eterogene sau disimilare (componente din

materiale de bază diferite ca şi compoziţie chimică sau ca structură metalografică: de ex. OL37 cu OL 52 respectiv OL37 cu 10TiNiCr180- INOX);

5. în funcţie de forma geometrică (contur):a. îmbinări drepte (liniare);b. îmbinări circulare (pe circomferinţă);c. îmbinări oarecare pe contur.

6. după aspectul exterior al cusăturii:a. îmbinări sudate cu suprafaţă exterioară plană (cap la cap sau de colţ);

b. îmbinări sudate cu suprafaţă exterioară convexă (cap la cap sau de colţ);c. îmbinări sudate cu suprafaţă exterioară concavă (numai la îmbinări sudate

de colţ);d. îmbinări sudate cu suprafaţă exterioară plană (îmbinări cap la cap) sau

concavă prelucrată prin polizare (îmbinări de colţ).Obs. Aprecieri tehnologice:

- suprafaţa convexă este cea mai frecventă formă rezultată după sudare;- suprafaţa plană se obţine dificil prin sudare (de ex. sudarea de colţ cu electrozi

cu înveliş acid în curent alternativ). Cel mai frecvent se obţine prin polizare sau aşchiere;

- suprafaţa concavă la suduri de colţ se poate obţine atât tehnologic prin procesul de sudare, dar mai ales prin polizare;

- polizarea suprafeţei exterioare a sudurii pentru obţinerea unei suprafeţe plane sau concave se recomandă (se foloseşte frecvent) în cazul sudurilor solicitate în regim dinamic, deoarece creşte durata de viaţă a produsului ca efect a diminuării concentratorilor de tensiune care apar la trecerea dintre supraînălţarea cusăturii şi metalul de bază, respectiv îmbunătăţeşte transmiterea fluxului de forţe de la cusătură la metalul de bază;

- în cazul sudurilor executate într-o trecere (strat), sudură de colţ sau trecerea de rădăcină, se va evita forma concavă deoarece pericolul de fisurare este mare (grosime de rezistenţă mică şi la tensiuni interne mari depunerea fisurează); în acest caz se preferă sudurile convexe la care pericolul de fisurare este mai mic, iar dacă forma convexă face dificilă efectuarea trecerilor ulterioare înainte de sudare supraînălţarea se polizează;

- în cazul îmbinărilor cap la cap nu se admite suprafaţă exterioară concavă (este considerat un defect de tipul subţierea cusăturii ca urmare a numărului insuficient de treceri);

7. în funcţie de poziţia de sudare. Conform SR ISO 6947 se definesc următoarele poziţii de sudaresimbolizate după cum urmează, fig.7:

Figura 7. Codificarea poziţiilor de sudare

a. PA – sudarea în poziţie orizontală pentru îmbinări cap la cap şi în poziţie jgheab pentru îmbinări de colţ;

b. PB – sudarea în poziţie orizontală cu perete vertical pentru îmbinări de colţ;c. PC – sudarea orizontală pe perete vertical sau sudarea în cornişă;d. PE – sudarea peste cap sau pe plafon pentru îmbinări cap la cap;e. PD – sudarea peste cap sau pe plafon pentru îmbinări de colţ;f. sudarea în poziţie verticală, cap la cap sau de colţ (cu două variante):

f1 - PF – vertical ascendentă; f2 - PG – vertical descendentă.

OBS. 1. Poziţia optimă se sudare este poziţia orizontală sau orizontală în jgheab PA. Ori de câte ori este posibil sudarea se va executa în această poziţie. În acest scop la sudare se vor folosi mese de poziţionare şi rotire, blocuri cu role, manipulatoare, etc. care permit poziţionarea optimă a pieselor pentru sudare.2. Poziţia de sudare cea mai dificilă este poziţia vertical descendentă PG datorită pericolului de scurgere a băii metalice în faţa arcului sub acţiunea gravitaţiei ceea ce face dificil controlul procesului respectiv conduce la pericolul apariţiei defectelor de tip lipsă de legătură (lispă de topire sau lipsă de pătrundere) sau a incluziunilor.3. Ca regulă generală sudurile de rezistenţă se recomandă să se sudeze în poziţie vertical ascendentă (asigură caracteristici de rezistenţă şi de calitate, dar aspectul suprafeţei sudurii este inestetic cu solzi mari şi supraînălţare mare), iar sudurile de legătură (de importanţă mai redusă nesolicitate în exploatare) se foloseşte sudarea vertical descendentă (caracterizată prin estetică bună, dar calitate necorespunzătoare cu probabilitate mare de defecte de legăturăîn îmbinare). Sudarea vertical descendentă folosită frecvent în cazul sudării tablelor subţiri pentru că reduce pericolul străpungerii materialului.4. Cele două poziţii de sudare se întîlnesc în general în cazul sudurilor de montaj, pe şantier.5. Dezavantajele de mai sus sunt în mare parte eliminate la sudarea cu sârmă tubulară cu miez rutilic respectiv miez bazic.