of 85
5. SUDAREA MATERIALELOR METALICE
5.1. Generaliti SUDAREA este un procedeu tehnologic de asamblare a dou sau mai multe piese, prin difuzia reciproc a atomilor n zona mbinrii. Sudarea se realizeaz printr-un aport de energie din exterior, capabil s scoat din echilibrul termodinamic atomii marginali ai pieselor de sudat i s-i apropie pn la distane de ordinul de mrime al parametrilor reelelor cristaline ale materialelor acestora, astfel nct s se realizeze un amestec intim al materialelor de mbinat, pe baza forelor de coeziune interatomic. Energia necesar sudrii se introduce n zona mbinrii cu ajutorul unor maini, instalaii i echipamente de sudare. Ansamblele i subansamblele mbinate prin sudare se numesc structuri sudate, iar materialul pieselor componente ale mbinrilor sudate se numete materialul de baz, sau metal de baz. Odat cu energia de sudare, n foarte multe cazuri se introduce n zona mbinrii i o anumit cantitate de material suplimentar, numit material de adaos sau metal de adaos, cruia i revine (n cazul cnd este folosit) rolul principal de realizare a difuziei cu metalul de baz al componentelor mbinrii sudate. Spaiul dintre suprafeele care particip efectiv la realizarea mbinrii se numete rost. Forma seciunii transversale a rosturilor fa de direcia longitudinal a mbinrilor sudate, elementele geometrice definitorii ale acesteia, ca i mrimea acestora este reglementat n foarte multe cazuri prin standarde de stat, n funcie de procedeele de sudare utilizate i de dimensiunile pieselor de sudat (n special n funcie de grosimea metalului de baz). Rezultatul mbinrii prin sudare, respectiv mbinarea sudat, se numete pe scurt sudur. Zona mbinrii sudate n care au acionat efectiv forele de coeziune interatomic se numete custur sudat, sau uneori cordon de sudur.
n apropierea custurii sudate exist de regul o zon a metalului de baz avnd proprieti mecanice diferite de cele ale restului piesei, ca urmare a transformrilor structurale n stare solid suferite n timpul sudrii. Aceasta poart numele de zon influenat termic, notndu-se adesea prescurtat ZIT. 5.2. Clasificarea procedeelor de sudare Exist numeroase criterii de clasificare a procedeelor de sudare, dintre care se vor discuta doar dou, mai generale. Introducerea energiei de sudare n zona de realizare a mbinrii se face fie prin nclzirea local accentuat a acestei zone, fie fr a se apela la nclzirea sensibil a acesteia, astfel c sudarea se execut n acest caz la rece, prin aplicarea unor fore. nclzirea pieselor n procesul de sudare modific local proprietile metalului de baz, l aduce n stare plastic sau chiar l topete local, mpreun cu metalul de adaos. Procedeele de sudare la care se utilizeaz topirea local a metalului de baz se numesc procedee de sudare prin topire, iar acelea la care mbinarea se execut cu meninerea metalului de baz n stare solid se numesc procedee de sudare prin presiune, deoarece n aceste cazuri de regul energia de sudare se introduce prin presarea local a pieselor de sudat. Dup energia primar de la care provine n final energia termic necesar nclzirii locale, aceasta poate fi: mecanic, cldura fiind generat prin lovire, frecare sau ca urmare a deformrii elastice sau plastice; termochimic, cldura rezultnd n urma unor reacii exoterme de combustie (sudare cu flacr de gaze) sau de nlocuire (sudare cu termit); electric, cldura producndu-se pe baza efectului Joule (sudare cu arc electric, prin rezisten electric, prin inducie); radiant, cldura rezultnd n urma localizrii energiei radiante ntr-un spaiu redus (sudare cu laser, cu fascicul de electroni). Procedeele de sudare sunt clasificate pe larg n STAS 8325-69. Dintre procedeele de sudare, amintite mai sus, n tehnica actual, cea mai mare rspndire o are sudarea prin topire cu arc electric, apoi sudarea electric prin rezisten, prin presiune, urmat de sudarea prin topire cu flacr de gaze i celelalte procedee.
5.2.1. Clasificarea mbinrilor sudate mbinrile sudate se pot clasifica dup mai multe criterii, dintre care unele constituie obiectul unor standarde de stat. Un criteriu de clasificare foarte important este cel al poziiei reciproce a elementelor mbinate. Dup acest criteriu, mbinrile sudate prin topire pot fi (fig. 5.1).
Fig. 5.1. mbinri sudate prin topire - cap la cap: - prin suprapunere: - pe o parte (a); - pe ambele pri (b); - frontal (c); - lateral (d); - nclinat (e); - n col: - interioar (f); - exterioar (g); - n T (h); - n cruce (i); - n guri (j); - n muchie (k). La rndul lor, mbinrile prin presiune pot fi: cap la cap (fig. 5.2); - prin suprapunere: - n puncte (fig. 5.2);
Fig. 5.2. mbinri sudate prin presiune Din fig. 5.2 a, b i c rezult c sudurile pot fi continue sau discontinue, n funcie de condiiile funcionale impuse i de particularitile procedeelor de sudare utilizate. Exist numeroase alte criterii de clasificare. Unele aspecte ale acestor clasificri vor fi lmurite n mare parte n cadrul subcapitolelor tratate n continuare. 5.3. Modul operator al procedeelor de sudare Orice procedeu de sudare se caracterizeaz printr-o serie de particulariti privind necesitatea sau inutilitatea folosirii materialului de adaos, forma sub care se prezint acesta, numrul i tipul micrilor relative ale metalului de adaos fa de piesele de sudat, caracteristicile micrii sursei de cldur n lungul custurii sudate etc. Toate acestea constituie atribute ale unui ansamblu de condiii n care se desfoar procesul de sudare i care definesc modul operator al procedeelor de sudare, sau tehnica operatorie a acestora. n cele ce urmeaz se vor trata elementele ce stau la baza procedeelor de sudare mai des utilizate n tehnica actual, insistndu-se, n special, asupra modului operator al fiecruia dintre acestea i asupra criteriilor tiinifice 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 descrcare de durat ntre doi electrozi executai din materiale conductoare electric, n condiiile existenei unei diferene de potenial suficient pentru a asigura un nalt grad de ionizare a spaiului dintre acetia. Arcul poate avea aciune direct sau aciune indirect.
n primul caz (fig. 5.3) arcul se stabilete ntre un electrod 1, fuzibil (metalic) sau nefuzibil (din crbune sau wolfram) i piesa de sudat 2, care joac rolul celui de al doilea electrod. Sursa de curent 3, poate debita curent continuu sau alternativ. n cazul utilizrii electrodului metalic fuzibil acesta are o compoziie chimic asemntoare cu cea a metalului de baz i se topete sub influena cldurii arcului electric, care realizeaz i transportul particulelor de metal din electrod spre custura sudat. Dac se folosete electrod nefuzibil, pentru umplerea rostului dintre piesele de mbinat este necesar material de adaos, sub forma unei vergele sau srme de compoziie chimic asemntoare cu cea a materialului de baz. In cazul utilizrii arcului cu aciune indirect (fig. 5.3, b) arcul electric se realizeaz ntre doi electrozi nefuzibili 1, legai la sursa de curent de sudare 3, fiind ntotdeauna necesar materialul de adaos 4.
Fig. 5.3. Arcul electric pentru sudare.
Fig. 5.4. Structura arcului electric.
n practic cel mai des se utilizeaz arcul cu aciune direct. n cazul utilizrii curentului continuu, pentru amorsarea i meninerea arcului cu aciune direct este important polaritatea utilizat. Situaia n care piesa este legat la anod, iar electrodul la catod, se denumete polaritate direct, iar situaia contrar se numete polaritate invers. Structura arcului electric pentru sudare (fig. 5.4) cuprinde coloana arcului 1, aureola 2, pata anodic 3 i pata catodic 4. Temperatura arcului depete 5 000K n coloan, petele avnd temperaturi variabile, funcie de natura electrodului (2.500 ... 3.700K pentru pata catodic, 2.600 ... 4.250 K pentru pata anodic). nclzirea mai puternic a anodului se explic, n principal, prin faptul c pentru emisia electronic n pata catodic se cheltuiete lucru mecanic de ieire, n contul electrodului, iar prin intrarea electronilor n anod se restituie aceast energie. De aceea, polaritatea direct se utilizeaz la sudarea pieselor mai groase, n general, cnd este necesar s se nclzeasc mai tare piesa de sudat, iar polaritatea invers va fi utilizat mai ales la sudarea pieselor subiri, sau la utilizarea unor electrozi relativ groi. Fenomenul de producere a arcului se numete amorsarea acestuia i se realizeaz prin atingerea electrodului pe pies (scurtcircuitarea acestora), urmat de ndeprtarea electrodului pn la o distan aproximativ egal cu diametrul electrodului. Pentru amorsarea arcului este necesar o anumit valoare a tensiunii, denumit tensiune de
amorsare (55 ... 60 V), care depete valoarea tensiunii necesar arderii arcului (Ua = 15 ... 40 V). Se constat c tensiunea arcului Un, variaz liniar cu lungimea lui l, conform relaiei: Ua = a + b l (5.1)
n care : a este un coeficient reprezentnd suma cderilor de tensiune de pe cele dou pete ale arcului, iar b cderea specific de tensiune n lungul arcului (a = 10 ... 15V ; b = 2 ... 3 V/mm). Rezult de aici c cu ct lungimea arcului crete, cu att crete tensiunea de ardere. Legtura ntre tensiunea arcului Ua i curentul de sudare, IS este o funcie Ua = f(IS), iar reprezentarea ei grafic, denumit caracteristica static w arcului, prezint 3 zone: 1 - zona cobortoare ; 2 - zona rigid (constant) i 3 - zona urctoare (fig. 5.5).
Fig. 5.5. Caracteristica static a arcului electric. Zona rigid ncepe de Ia valori de circa 100 A, cnd Ua nu mai depinde practic de IS, iar apoi, la valori mari ale curentului de sudare, se constat o cretere a tensiunii la creterea curentului. Ultima parte a zonei 1 i prima a zonei 2 sunt avantajoase i se utilizeaz Ia sudarea manual cu arc electric descoperit, iar a doua jumtate a zonei rigide i cea urctoare sunt utilizate la sudarea sub strat de flux i n mediu protector de gaze. Caracteristica static a arcului electric corespunde unei anumite lungimi a arcului electric (v. relaia 1). Dac lungimea arcului se schimb, de exemplu crescnd la l2 > l1, atunci se modific i poziia caracteristicii statice care se deplaseaz mai sus. Stingerea arcului electric se poate produce n dou situaii : 1 - cnd lungimea arcului l crete att de mult nct tensiunea necesar depete valoarea maxim pe care o poate asigura sursa de curent ; 2 - cnd lungimea arcului devine nul i ntre electrod i pies se creeaz o punte de metal continu.
5.4.2. Surse de curent pentru sudare Spre deosebire de sursele de curent cu alt destinaie, sursele de curent pentru sudarea cu arc trebuie s ndeplineasc urmtoarele condiii : 1. Tensiunea la bornele sursei la mersul n gol trebuie s fie suficient de mare, pentru a da posibilitatea amorsrii arcului; 2. Curentul de scurt-circuit s nu depeasc prea mult curentul de sudare, pentru a se preveni avarierea sursei i a circuitului de sudare, datorit nclzirii excesive a acestora; 3. Intensitatea curentului debitat s aib valori mari pentru a obine un efect termic ridicat. Pentru a realiza acest deziderat este necesar folosirea unei tensiuni sczute, care ns nu poate fi redus sub valoarea tensiunii necesar meninerii arcului electric. Folosirea unor tensiuni sczute mbuntete condiiile de lucru micornd pericolul de electrocutare a muncitorului; 4. Variaia curentului de sudare IS s fie limitat n cazul cnd tensiunea arcului variaz datorit variaiei lungimii arcului (cauzat de exemplu de topirea mai rapid sau de ridicarea (electrodului). Relaia dintre tensiunea dat de surs Ud, n funcie de curentul de sudare IS, se numete caracteristica extern (static) a sursei de curent i are, de obicei, o alur cobortoare (fig. 6, curba CE).
Fig. 5.6. Caracteristica extern a sursei de curent pentru sudare (CE). Punctul de intersecie a curbei cu axa absciselor d valoarea curentului de scurtcircuit ISC, care nu depete cu mai mult de 1,5 ori valoarea curentului de mers n regim (realizarea condiiei 2). Dac se suprapune peste caracteristica extern a sursei, caracteristica static a arcului electric se obin dou puncte de intersecie: unul A, reprezentnd punctul de amorsare, iar cellalt B, punctul de ardere stabil a arcului electric.
Condiia 4 este realizat atunci cnd caracteristica extern a sursei este puternic cobortoare. De exemplu, dac lungimea arcului electric crete de la valoarea l la l1 (l1>l), atunci punctul de ardere stabil al arcului se schimb din B n B', ceea ce nseamn o variaie a curentului de sudare cu valoarea I = IB - IB' (fig. 5.6). Pentru ca unei modificri a lungimii arcului egal, cu l = l1 - l s-i corespund o valoare l ct mai mic, este necesar ca n triunghiul dreptunghic B'BC, unghiul a (panta curbei) s fie ct mai mare (apropiat de 90). Majoritatea surselor de curent pentru sudare pot realiza mai multe caracteristici externe, dintre care, la reglarea iniial a sursei, se alege caracteristica cea mai convenabil pentru cazul dat, funcie de condiiile concrete de sudare. Dup felul curentului debitat sursele de curent pentru sudare pot fi : - surse de curent continuu: generatoarele de curent continuu pentru sudare (convertizoare pentru sudare), acionate de un motor electric asincron sau de un motor cu explozie i redresoarele de curent pentru sudare, nzestrate cu celule redresoare din siliciu; - surse de curent alternativ: transformatoarele de curent pentru sudare, mono sau trifazate, alimentate de la reeaua de curent alternativ. Datorit stabilitii mai mici a arcului electric la sudarea n curent alternativ, este necesar ca pe lng condiiile generale impuse tuturor surselor de curent pentru sudare, sursele de curent alternativ s ndeplineasc i urmtoarele condiii suplimentare: - n circuitul de sudare s existe o reactan suficient de mare care s creeze un defazaj ntre tensiune i curentul de sudare, adic n momentul cnd IS = 0, Ua s aib o valoare suficient de mare pentru meninerea n continuare a arcului i invers. Aceast proprietate este caracteristic surselor cu stabilitate dinamic mare, adic acelor surse care permit de fiecare dat creterea brusc a curentului la anularea frecvent a tensiunii i invers. - Tensiunea de mers n gol, necesar amorsrii arcului, s fie mai mare dect cea corespunztoare surselor de curent continuu. - Panta caracteristicii externe s fie mai mare dect cea corespunztoare surselor de curent continuu. n ara noastr se fabricau diverse tipuri de surse de curent pentru sudare ca: generatoare de curent continuu, redresoare pentru sudare i transformatoare de sudare. n principiu, utilizarea unui tip de surs sau a altuia este legat de unele avantaje i dezavantaje. Sursele de curent alternativ, n comparaie cu cele de curent continuu rotative, prezint urmtoarele avantaje: au greuti i gabarite mici, au randament mai mare, se uzeaz foarte puin n cursul exploatrii, necesit o ntreinere minim, dar prezint i unele dezavantaje, ca: stabilitatea mai mic a arcului, n special la cureni mici, ncrcarea nesimetric a reelei de alimentare i factor de putere mai mic.
5.5. Sudarea manual cu electrozi nvelii 5.5.1. Echipamentul de sudare. Acesta este alctuit din: sursa de curent pentru sudare, clema de contact, portelectrodul, cablurile circuitului de sudare i echipamentul de protecie. Sursa de curent pentru sudare este, de regul, un transformator sau un generator de curent pentru sudare, ce asigura cureni nominali de ordinul a 200 350 A i tensiuni de mers n gol Ua = 55 ... 80 V. Cablurile pentru sudare sunt multifilare i se execut din cupru. Ele au, n mod frecvent, seciuni cuprinse ntre 25 mm2 i 125 mm2. Portelectrodul este un clete standardizat de construcie special, care servete la prinderea electrodului i la conectarea lui n circuitul de sudare. El trebuie s fie uor i s asigure n acelai timp un contact bun cu electrodul, pe o suprafa suficient de mare. Portelectrodul trebuie s aib un mner bine izolat. Clema de contact realizeaz o legtur strns ntre pies i conductorul legat la sursa de curent de sudare. Echipamentul de protecie. Pentru protejarea sntii sale sudorul folosete urmtorul echipament de protecie: - mti prevzute cu filtru executat din sticl special, opac la radiaiile ultraviolete i infraroii; - or, mnui i ghete sau jambiere din piele; - ochelari cu sticl securit pentru protejarea ochilor n timpul curirii custurii sudate. Purtarea echipamentului de protecie complet este obligatorie, att pentru sudor, ct i pentru toi cei din cabina sau boxa n care se gsete postul de lucru. n afar de cele descrise mai sus, sudorul folosete un ciocan special pentru spargerea crustei de zgur format n timpul sudrii i o perie de srm pentru curirea custurii i a marginilor tablelor de mbinat. 5.5.2. Electrozi nvelii pentru sudarea manual cu arc electric. Electrozii utilizai curent sunt nite vergele metalice, acoperite cu un nveli fuzibil care are rolurile principale de a uura amorsarea arcului electric de a asigura arderea stabil a acestuia i de a contribui la procesele metalurgice din baia de sudare.
Diametrele standardizate ale vergelelor electrozilor cei mai utilizai sunt: 2,5; 3,25; 4; 5 i 6 mm, iar lungimile sunt de 300, 350 i 450 mm. Caracteristicile mecanice ale metalului depus i ale mbinrii sudate, ca i compoziia chimic a metalului depus la sudarea oelurilor, trebuie s corespund, de asemenea, unor condiii standardizate. O importan deosebit n realizarea unei custuri de calitate o prezint alegerea raional a nveliului electrozilor. nveliul se compune dintr-un amestec de substane naturale sau prelucrate, mcinate fin i amestecate omogen. Acestea se pot grupa n 9 categorii, dup funcia lor n nveli, aa cum rezult din tabelul 5.1. Tabelul 5.1 Materiale componente ale nveliului electrozilor Nr crt. Categorii de substane Ionizani Zgurifiani Denumirea materialelor Carbonat de calciu (cret, marmur i calcit). Bioxid de titan (rutil, ilmenit) Carbonat de potasiu (potas, cenu) Oxizi i sruri ale metalelor alcalino-pmntoase. Minereuri de titan, mangan i fier (rutil, ilmenit, rodomit, hematit, magnetit). Silice i silicai naturali (cuar, feldspat, mic, caolin). Carbonai naturali (calcit, dolomit, magnezit) Feroaliaje (feromangan, ferosiliciu, ferotitan, ferocrom), aluminiu, grafit. Feroaliaje Srurile i oxizii metalelor alcalino-pmntoase, bioxid de titan, fluorin. Substane organice: amidon, dextrin, celuloz, rumegu. Substane minerale: carbonai de calciu, magneziu i bariu. Silicai lichizi de potasiu i sodiu, dextrin. Bentonit, dextrin, amidon, ciment etc. Pulbere de fier, pulbere de nichel.
Dezoxidani Componeni de aliere Fluidifiani Gazeifiani Liani Plastifiani Componeni de adaos
Substanele care formeaz nveliul unei anumite mrci de electrozi confer custurii sudate proprieti caracteristice, datorit faptului c ele influeneaz direct procesele de oxidare i dezoxidare din baia de metal topit la sudare. n conformitate cu STAS 7240-79, electrozii obinuii pot avea nveliul: acid, bazic, celulozic, oxidant, rutilic, titanic sau cu alt caracter. Acest standard precizeaz compoziia nveliului i d indicaii de utilizare pentru fiecare tip de nveli. Menionm c electrozii bazici, utilizai de regul la sudarea otelurilor cu peste 0,2 ... 0,25%C, se folosesc numai n curent continuu cu polaritate invers, iar toate celelalte tipuri de electrozi se folosesc fie n curent alternativ, fie n curent continuu cu polaritate preferenial direct.
Electrozii bazici trebuie prenclzii la 200 ... 250 C nainte de utilizare, deoarece au nveliul higroscopic, ceea ce conduce la pericolul introducerii n custur a hidrogenului, iar acesta micoreaz reziliena custurilor sudate. Conform STAS 7240-79, electrozii pentru sudarea manual cu arc electric se noteaz simbolizat, spre exemplu astfel : E.50.24.13 / R.m.1.1 n aceast marc, E reprezint simbolul general al electrozilor, iar numerele i literele indic n ordine, urmtoarele elemente: rezistena la rupere a metalului depus - 50 daN/mm2; alungirea specific la ruperea acestuia 24 %; reziliena metalului depus - 13 daJ/cm2; nveli rutilic - R; avnd grosime medie - m; poziii de sudare posibile - simbol 1 (indiferent); utilizabil fie n curent continuu, indiferent de polaritate, fie n curent alternativ - simbol 1. n cazul general, se mai pot ntlni urmtoarele elemente simbolizate: - grosimea nveliului, n funcie de raportul ntre diametrul electrodului nvelit (D) i diametrul vergelei (d), se simbolizeaz prin urmtoarele litere: s - nveli subire, cu raportul D/d max. 1,4; m - nveli mediu, cu raportul D/d = 1,4 ... 1,55; g - nveli gros, cu raportul fg - foarte gros, cu raportul 1 - toate poziiile (indiferent); 2 - toate poziiile, exceptnd poziia vertical de sus n jos; 3 - poziia orizontal, orizontal n jgheab i uor nclinat; 4 - orizontal i orizontal n jgheab; - caracterul curentului de sudare se simbolizeaz astfel: 1 - curent continuu sau alternativ; 2 - curent continuu, n mod obligatoriu; - caracteristicile tehnice speciale ale electrozilor pentru sudarea oelurilor carbon i slab aliate se simbolizeaz prin urmtoarele litere, adugate la sfritul simbolului: H - electrozi cu coninut redus de hidrogen; P - electrozi cu ptrundere adnc; Fe - electrozi care conin pulbere de fier, minimum 150%. Pentru sudarea oelurilor carbon uzuale se recomand alegerea mrcilor de electrozi metalici nvelii, conform tabelului 5.2. D/d = 1,55 ... 1,7; D/d peste 1,7;
- poziiile de sudare n care poate fi utilizat electrodul se simbolizeaz n felul urmtor:
Tabelul 5.2 Recomandri pentru alegerea electrozilor Nr. crt. 1 2 3 4 5 6 7 OL 32 OL 34 OLT 35; OLC 10 OL 37 OL 42 OL 44 OL 52 Marca metalului de baz Tipul electrodului recomandat E.44.22.9/T.g.2.1 E.44.22.9/C.m.1.1 E.42.26.13/B.g.2.2 E.44.22.9/T.g.2.1 E. 42.26.13/B.g.2.2 E. 50.24.13/B.g.2.2 E 52.22.13/B.g.2.2
Alegerea diametrului i a lungimii electrodului se face n funcie de grosimea tablelor de sudat i intensitatea curentului utilizat. Indicaiile referitoare la acestea sunt notate de productorul electrozilor pe cutiile de ambalaj ale acestora. 5.5.3. Pregtirea pieselor n vederea sudrii. Aceast categorie de lucrri cuprinde urmtoarele operaii: prelucrarea marginilor pieselor de sudat, curirea acestora de oxizi i grsimi, asamblarea pieselor ntr-o poziie corect, eventual prenclzirea pieselor sau deformarea prealabil a acestora n zona ce va fi influenat termic, n vederea compensrii deformaiilor ce vor rezulta n urma procesului tehnologic de sudare. De cele mai multe ori, la sudarea oelurilor cu puin carbon, pregtirea pieselor n vederea sudrii cuprinde numai o parte a operaiilor enumerate mai sus. n scopul obinerii unor custuri de calitate, marginile tablelor se prelucreaz, dndu-li-se o form corespunztoare alctuirii rostului, n funcie de grosimea lor i de tipul mbinrii sudate. Prelucrarea se face conform STAS 662-62. n figura 5.7 se prezint elementele principale ale unor rosturi utilizate la sudarea cu electrozi nvelii.
Fig. 5.7. Exemple de rosturi ale pieselor ce urmeaz a se suda.
5.5.3.1. Poziia de sudare La sudarea prin topire exist unele dificulti n transferul metalului topit de pe electrod spre pies, dac rostul custurii nu este astfel plasat fa de arcul electric, nct acest transfer s fie favorizat de forele de gravitaie. Acest fenomen a determinat necesitatea standardizrii poziiilor de sudare, definite n STAS 7365-74 prin intermediul unor parametri unghiulari, care exprim att nclinarea longitudinal a custurii ce se realizeaz la un moment dat, ct i nclinarea planului median al bii de metal topit fal de vertical. n figura 5.8 se prezint unele poziii particulare de sudare, rezultate din prevederile acestui standard.
Fig. 5.8. Principalele poziii de sudare Cel mai mare grad de dificultate la sudare l prezint sudarea pe plafon. Pentru realizarea acestor suduri, ct i a celor verticale, n corni sau nclinate, sunt necesare msuri tehnologice speciale, care s conduc la micorarea volumului bii de metal topit existent la un moment dat i la scderea fluiditii acestuia, n vederea prevenirii fenomenelor de scurgere a bii sub influena forelor de gravitaie.
5.5.3.2. Sudabilitatea materialelor metalice Prin sudabilitate se nelege proprietatea tehnologic a unui material metalic de a se putea suda printr-un procedeu uzual de sudare, astfel nct mbinarea s corespund condiiilor impuse de exploatare. Ca i alte proprieti tehnologice, sudabilitatea este o noiune relativ, fiind condiionat de o serie de factori ca : - metalul de baz (compoziie chimic, proprieti, structur, prelucrri anterioare); - procedeul de sudare aplicat i tehnica sudrii (tratament preliminar i final, regimul de sudare, succesiunea depunerii straturilor de metal etc.); - configuraia i dimensiunile ansamblului sudat i a custurilor pe ansamblu. Dat fiind multitudinea de factori care influeneaz sudabilitatea este normal s nu existe o metod unic, cantitativ, de apreciere a sudabilitii. Din acelai motiv sudabilitatea nu se exprim prin valori numerice bine determinate, ci prin calificative obinute pe baza unor indici realizai n urma unor ncercri de sudabilitate. Astfel, oelurile se pot grupa n funcie de sudabilitatea lor, aa cum se arat n tabelul 5.3, reprodus dup STAS 7194-65. Tabelul 5.3 Gruparea oelurilor dup stabilitate Gruparea oelurilor din punctul de vedere al sudabilitii I a b Bun necondiionat Bun condiionat da da Oeluri cu sudabilitate bun garantat fr condiii speciale. Oeluri cu sudabilitate garantat cu condiia respectrii unor msuri stabilite n prealabil. II Posibil nu Oeluri cu care se pot obine mbinri sudate de calitate corespunztoare. Condiiile de sudare le stabilete beneficiarul. III Necorespunztoare nu Oeluri nerecomandate pentru construcii sudate, cu care n mod normal nu se obin mbinri sudate de bun calitate. Calificativul sudabilitii Garantarea sudabilitii Observaii
Pentru aprecierea sudabilitii diferitelor categorii de materiale exist prescripii i criterii de apreciere care difer de la ar la ar. Institutul Internaional pentru Sudare (I.I.S.), recomand peste 120 de metode de apreciere a sudabilitii. 5.5.3.3. Gruparea oelurilor dup sudabilitate ncercarea sudabilitii se poate face prin dou mari grupe de metode: directe i indirecte. Metodele directe se difereniaz dup scopul urmrit, n urmtoarele grupe: - ncercri de sudabilitate tehnologic, care evideniaz posibilitile de realizare a asamblrii prin diferite procedee; - ncercri de sudabilitate metalurgic sau local, prin care se pun n eviden transformrile fizico-chimice ale metalului de baz sub influena ciclului termic ce are loc la sudare; - ncercri de sudabilitate constructiv sau global, care pun n eviden proprietile de ansamblu ale structurilor sudate, reflectnd n special sensibilitatea la fisurare a unei anumite structuri sudate executat dintr-un anumit metal de baz. Metodele indirecte de studiu permit aprecierea sudabilitii metalelor pornind de la studiul compoziiei chimice a acestora. Pentru oeluri, care sunt materialele cele mai frecvent supuse sudrii, n general, sudabilitatea scade odat cu creterea coninutului de carbon. innd seam c i celelalte elemente aflate n compoziia chimic a oelului influeneaz ntr-un sens sau altul sudabilitatea, influena lor se raporteaz la cea a carbonului, prin intermediul unei relaii empirice de forma:
%Ce = %C +
%P %M 0 %Cr %Cu % Ni + + + + + 0,0024s 2 4 5 13 15
(5.2)
n care : Ce este coninutul de carbon echivalent iar s - grosimea materialului de sudat, n mm. Dac se consider indicele de sudabilitate ntr-o scar oarecare de la 1 la 10, comportarea la sudare a oelurilor n funcie de carbonul echivalent este ilustrat n figura 5.9. O sudabilitate bun este asigurat pentru un Ce < 0,4 ... 0,5 %. Cu msuri tehnologice speciale se pot suda i oeluri cu Ce > 1%. n construciile sudate ns, se evit utilizarea oelurilor cu un coninut de carbon ridicat. Pentru a se obine rezistene ridicate se prefer utilizarea unor oeluri aliate cu un procent mic de carbon ( 0,25%), majornd coninutul n elemente de aliere. - n cazul fontelor sudabilitatea este n general nesatisfctoare. Cu msurile speciale pentru evitarea albirii n timpul rcirii (prenclzirea pieselor, alierea bii de sudare cu elemente grafitizante), este posibil sudarea fontelor cenuii, a celor cu grafit nodular i a celor maleabile. - n cazul materialelor metalice neferoase sudabilitatea este condiionat de anumite proprieti specifice acestor materiale. Astfel, cuprul se sudeaz bine dac nu conine O2 mai mult de 0,004%
i dac se iau msuri pentru evitarea pierderilor mari de cldur, datorate conductibilitii termice foarte bune. Msuri similare trebuie adoptate i n cazul sudrii aluminiului i aliajelor sale, n plus sudabilitatea este redus din cauza tendinei puternice de oxidare la temperaturi ridicate. Alama se sudeaz greu din cauza zincului care este uor oxidabil, iar bronzul are influene asupra sudabilitii oelului din cauza segregaiei puternice.
Fig. 5.9. Influena compoziiei chimice
La materialele cu sudabilitate sczut, cu ct energia introdus n unitatea de timp n unitatea de baz n procesul sudrii este mai mare, cu att crete i pericolul mririi zonei de supranclzire a marginilor pieselor de sudat, ca i pericolul apariiei unor tensiuni interne remanente periculoase sau a unor deformaii termice mari, ca urmare a echilibrrii reciproce a tensiunilor interne. Energia introdus n unitatea de timp ntr-o anumit zon a pieselor de sudat variaz direct proporional cu puterea consumat la sudare i cu randamentul transferului de cldur de la sursa de cldur spre metalul de baz i invers proporional cu viteza de sudare. La procedeele de sudare electric se definete, n acest sens, o mrime denumit energie liniar El:El = 36 U a I S vS (5.3)
n care reprezint randamentul transferului cldurii spre metalul de baz, variind la diferite procedee de sudare cu are electric, ntre 0,6 i 0,95. n relaia (5.3) tensiunea Ua se introduce n V, curentul de sudare IS n A, iar viteza de sudare vS n m/or.
Energia liniar i randamentul termic au valori particulare specifice att procedeelor de sudare utilizate, ct i condiiilor concrete n care se face sudarea. Din relaia (5.3) i conform celor artate anterior, rezult c la sudarea materialelor cu sudabilitate sczut, este n general necesar folosirea unor energii liniare ct mai mici concretizate n sudarea cu arc scurt, cu cureni mici i deci i cu electrozi subiri, deci n mai multe treceri (la sudarea pieselor groase) i cu viteze de sudare ct mai mari.5.5.4. Modul operator la sudarea cu electrozi nvelii
Dup fixarea n poziia dorit a tablelor de sudat, pregtite n prealabil, sudorul echipat corespunztor, ine (de obicei) n mna stng masca de protecie, iar n dreapta portelectrodul n care a fixat un electrod i lovete uor piesa de sudat cu captul liber al electrodului. Apoi acest capt este ndeprtat la o distan fa de pies, egal aproximativ cu diametrul electrodului, cutnd s menin ct mai constant aceast distan, n tot timpul lucrului. ntruct arcul electric formeaz la captul electrodului un crater, rezultat din topirea mai rapid a metalului electrodului fa de arderea iniial a nveliului acestuia, de cele mai multe ori meninerea la o lungime optim a arcului se face prin rezemarea uoar a nveliului electrodului pe metalul de baz. La sudarea tablelor n poziie orizontal electrodul trebuie s fie n permanent nclinat n direcia de sudare, cu un unghi de 15...30 fa de vertical, variabil n funcie de forma custurii prescris n desen i de grosimea tablelor i a nveliului electrodului. Odat cu naintarea n lungul custurii (cu viteza de sudare vs) i cu compensarea topirii captului electrodului (cu viteza va), electrodul se i penduleaz uneori transversal pe direcia de sudare, cu viteza vP Forma acestor pendulri depinde de gradul de nclzire pe care vrem s-1 dam uneia sau ambelor piese de sudat, mai ales n cazul sudrii tablelor groase. Poziia i deplasrile electrodului sunt prezente n figura 10, a. n figura 5.10, b se dau cteva traiectorii ale pendulrilor cele mai uzuale utilizate pentru nclzirea suplimentar a ambelor sau, mai ales, a uneia din tablele de sudat. Calitatea sudurii executate depinde ntr-o foarte mare msur de execuia uniform i sincronizat a celor trei micri prezentate n figur. n linii mari, amorsarea arcului de sudare este similar (ca tehnic operatorie) cu aprinderea unui chibrit, iar tehnica mnuirii electrodului, la sudarea n poziie orizontal, este similar cu tehnica scrisului.
Evident, exist diferene eseniale n ceea ce privete masele obiectivelor manevrate n aceste scopuri, n ceea ce privete traiectoriile imprimate acestora i n ceea ce privete vitezele de micare.
Fig. 5.10. Modul operator la sudarea cu electrozi nvelii bar
Sudarea n poziie vertical se poate executa de sus n jos sau de jos n sus, n ambele cazuri electrodul fcnd un unghi de 40 ... 50 cu verticala, aa cum rezult din figura 5.11.
Fig. 5.11. Poziia i deplasarea electrodului la sudarea pe vertical
La sudarea custurilor orizontale pe perete vertical, trebuie evitat nclzirea excesiv a marginii piesei inferioare, ceea ce ar conduce la apariia pericolului scurgerii bii. Arcul se amorseaz pe piesa inferioar, iar apoi este condus pe cea superioar unde se menine pn la scurgerea picturii de metal topit (fig. 5.12).
Fig. 5.12. Deplasarea arcului electric la sudarea orizontal pe perete vertical.
n cazul sudrii pe plafon, arcul se menine foarte scurt, executndu-se mnuiri rapide ale electrodului, pentru amorsarea i susinerea unei bi de sudare ct mai mici n volum (fig. 5.13). Pentru executarea custurilor suficient de lungi se recomand fixarea la capete a tablelor ntre ele, cu ajutorul unor plcue sudate. ntruct la amorsarea i stingerea arcului se produc cratere, se recomand ca acestea s se execute pe plcuele de fixare reciproc a pieselor de sudat.
Fig. 5.13. Deplasarea arcului electric la sudarea pe plafon.
Fig. 5.14. Deplasarea arcului la sudarea n pas de pelerin
Fig. 5.15. Deplasarea arcului la sudarea n salturi
n cazul amorsrii arcului n continuarea unei custuri efectuate anterior, se recomand reamorsarea lui cu 15 ...20 mm nainte de locul ntreruperii. Pentru micorarea craterelor de la ntreruperea arcului, electrodul trebuie ridicat ct mai lent.
Pentru micorarea deformaiilor termice ale pieselor se recomand sudarea custurilor relativ lungi prin realizarea sectorului v S "n pas de pelerin" sau "n salturi", prezentate n figurile 5.14 i 5.15. n acelai scop, sudarea tablelor groase din oeluri cu sudabilitate sczut se realizeaz din ct mai multe treceri succesive, depunndu-se la fiecare trecere cte un rnd sau strat, ct mai subire, astfel nct s se induc n structura sudat tensiuni termice ct mai mici. Dup fiecare ntrerupere a arcului se las un interval de timp pentru solidificarea zgurii, dup care sudura se ciocnete cu ciocanul special i apoi se cur cu peria de srm.5.5.5. Stabilirea parametrilor regimului de sudare
Stabilirea regimului de sudare const n alegerea tipului i a diametrului electrodului, a felului, polaritii, intensitii i tensiunii curentului ca i a vitezei de sudare. a. Tipul electrodului se alege dintre mrcile standardizate, n funcie de calitatea materialului de baz, poziia de sudare i condiiile generale de lucru (tipul sursei de curent disponibile, locul unde se desfoar lucrarea, condiiile de depozitare i uscare etc.) n conformitate cu cele prezentate n subcapitolul 5.5.2. Marca electrodului precizeaz caracteristicile mecanice ale metalului electrodului depus n custur, eventualele elemente de aliere ale acestuia, ca i caracterul nveliului. Caracteristicile mecanice ale metalului depus sunt obligatoriu nscrise pe cutia de ambalaj a electrozilor. Pe ambalaj mai sunt date i unele indicaii de utilizare a electrozilor respectivi, privind tipul curentului, polaritatea acestuia, intensitatea n funcie de grosimea materialului de baz i altele. De obicei diametrul se alege pe baza grosimii materialului de sudat (tabelul 5.4).Tabelul 5.4 Alegerea diametrului electrozilor la sudarea manual cu are electric descoperit
Grosimea materialului de baz n mm d electrod, n mm
12 2
24 2,5; 3,25
46 3,25; 4
68 4; 5
peste 8 5; 6
b. Stabilirea valorii curentului de sudare se face corelat cu alegerea diametrului electrodului, n funcie de grosimea metalului de baz supus sudrii. De obicei, pentru sudarea oelurilor cu coninut mic de carbon, se folosesc relaiile empirice:
I S = 40 d CS C p
[A]
(5.4)
sau :I S = (4...5) d (d + 5) CS C p (5.5)
n aceste relaii, IS reprezint intensitatea curentului de sudare, d - diametrul srmei electrodului (mm), CS este un factor de corecie ce ine cont de corelaia dintre grosimea tablei s i diametrul srmei electrodului d, iar CP este un factor ce ine cont de poziia de sudare. Dac se execut custuri la care 1,5 d s 3 d, se utilizeaz valoarea CS = 1. La sudarea pe table verticale relaia de mai sus se micoreaz cu 10...15 %, prin introducerea unui coeficient de corecie CP = 0,9 ... 0,85, iar la sudarea pe plafon cu 15 ... 20 %, prin acordarea valorii corective CP = 0,85 ...0,8. Exist i alte metode i relaii de calcul al intensitii curentului de sudare. Pentru toate cazurile, rezult n srma electrodului, avnd seciunea Ae, densiti de curent:I= IS = 8...30 Ae [ A / mm 2 ]
(5.6)
Valorile orientative ale curentului recomandat pentru fiecare marc i dimensiune de electrozi sunt indicate, de regul, de productori pe cutiile n care sunt ambalai electrozii la livrare. Orice valoare a curentului de sudare implic o anumit tensiune a arcului, stabilit n fiecare moment prin intermediul caracteristicii externe a sursei de curent i a lungimii momentane a arcului. c. Alegerea polaritii se face innd cont c polul pozitiv se nclzete mai tare dect cel negativ. De aceea, polaritatea direct se va utiliza de obicei la sudarea tablelor groase, iar polaritatea invers la sudarea tablelor subiri, cu electrozi relativ, groi, sau la sudarea cu electrozi bazici a oelurilor cu coninut mai mare de carbon sau de impuriti. La stabilirea polaritii se va ine cont, n mod obligatoriu, de indicaiile date de productorul electrozilor utilizai, nscrise pe cutiile de ambalaj ale electrozilor. d. Alegerea vitezei de sudare se face astfel nct forma i dimensiunile seciunii transversale a custurii s corespund cu cele prescrise, iar productivitatea sudrii s fie maxim. Forma seciunii transversale a custurii (fig. 5.16) trebuie s respecte anumite condiii, att n ceea ce privete limea custurii B sau nlimea acesteia H, ct i n ceea ce privete raportul Cf, denumit coeficient de form: Cf = B H (5.7)
Fig. 5.16. Dimensiunile seciunii transversale a sudurii
n caz contrar, rezistena structurii sudate poate fi periclitat. Corelarea corect a parametrilor regimului de sudare i constana lor sunt foarte importante pentru realizarea unei custuri fr defecte de structur sau de natur geometric. Se constat c geometria seciunii transversale a sudurii (fig. 5.16) este influenat de valorile parametrilor regimului de sudare, astfel : - limea B a sudurii crete odat cu creterea tensiunii arcului i scade odat cu creterea vitezei de sudare ; - adncimea de ptrundere h, supranlarea h1 i deci i nlimea custurii H cresc odat cu creterea intensitii curentului i scad odat cu creterea tensiunii i a vitezei de sudare. La sudarea oelurilor de construcie avnd coninut mic de carbon, energia liniar calculat cu relaia (5.3) trebuie s aib 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, i El = 13.000 ... 20.000 J/cm pentru d = 6 mm. Corelarea corect a intensitii cu diametrul i tipul electrodului, cu poziia de sudare i cu polaritatea au implicaii i n ceea ce privete eficacitatea transferului de metal de la electrod spre pies, deci n ceea ce privete randamentul sudrii i al folosirii energiei consumate la sudare. Cantitatea ml de metal topit de arcul electric este direct proporional cu intensitatea IS a curentului de sudare i cu timpul de meninere al arcului, t : m l = Cl IS t [g ] (5.8)
n condiiile exprimrii curentului de sudare n A i a timpului de sudare n ore, coeficientul de proporionalitate Ct din relaia (5.8) se exprim n g/Aor i se numete coeficient de topire al metalului la sudare. De multe ori intereseaz numai masa net a electrodului topit n arcul electric. Pentru aceste cazuri se ia n consideraie un coeficient de topire al electrodului Ct; m l = C l IS t (5.9)
Metalul topit din electrod este nglobat n custura sudat. Masa metalului depus md este, de asemenea, proporional cu timpul i cu intensitatea curentului de sudare: m d = C d I S t [g ] rezultnd un coeficient de topire al metalului la sudare Cd, astfel nct: Cd = md [g / A h ] IS t (5.11) (5.10)
n general, la sudarea cu arc electric se poate considera c exist relaiile: C te = (0,6...0,85) C l C d = (0,85...0,99) C te prin stropiri, prin vaporizare sau prin componente evacuate n zgur. Din relaia (5.13) rezult c pierderile de metal au valorile = 1 15% din totalul metalului de adaos topit, ntruct: = (C ld C d ) 100 = (m et m d ) 100 [%] (5.14) (5.12) (5.13)
Diferenele dintre masa electrodului topit i masa metalului depus constituie pierderi
La sudarea cu electrozi nvelii pierderile sunt maxime n cazul folosirii unor cureni de sudare mari i, mai ales, la realizarea custurilor de poziie.5.5.6. Dezavantajele procedeului i metode de combatere a acestora
Sudarea manual cu arc electric prezint dezavantajul unei productiviti sczute, mai ales n cazul sudrii tablelor groase, cnd sunt necesare mai multe treceri. Pe lng aceasta, calitatea sczut a custurii sudate i dependena ei de calificarea, contiinciozitatea i starea muncitorului, sunt alte dezavantaje, la care se adaug un coeficient mare de pierderi de metal prin stropi, n cazul utilizrii curenilor mari, din dorina creterii productivitii sudrii. Pentru combaterea acestor dezavantaje ale sudrii clasice cu electrozi nvelii, n cazurile n care este posibil, se apeleaz fie la utilizarea procedeului de sudare automat sub strat de flux sau n mediu protector de gaze, fie la variante semiautomate de sudare cu electrozi nvelii, aa cum este de exemplu sudarea cu electrod culcat (fig. 5.17).
Fig. 5.17. Sudarea cu electrod culcat :
1 - piesele de sudat ; 2 - electrod ; 3 - plac de cupru rcit cu ap.
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 prin urmtoarele elemente (fig. 5. 18): - arcul electric este acoperit de un material fuzibil granular, denumit flux pentru sudare i avnd compoziii chimice asemntoare cu cele ale nveliului electrozilor folosii la sudarea manual cu arc ; - electrodul este continuu, fiind practic, o srm-electrod, nfurat sub form de colac, care este pus n micare de avans de ctre un mecanism cu role, ce o oblig s treac printr-o buc de contact electric cu circuitul de sudare; - deplasarea relativ a arcului fa de piesele de sudat (n lungul custurii) se realizeaz, de regul automat i uneori manual, astfel c sudarea se poate face automat, respectiv semiautomat, folosindu-se n acest scop un cap de sudare automat (respectiv semiautomat) pentru sudarea sub strat de flux; - nu se utilizeaz micri de pendulare a arcului ( v P = 0 ).
Fig. 5.18. Modul operator la sudarea sub flux:
1 - srma-electrod; 2 - capul de sudare sub flux; 3 - caseta srmei-electrod; 4 - role pentru realizarea micrii de avans, avnd viteza va ; 5 - buca de contact electric ; 6 rezervor (buncr) cu flux ; 7 metalul de baz ; 8 - sursa de curent pentru sudare.
Fig. 5.19. Formarea custurii sudate sub flux
Modul de realizare a custurii sudate este prezentat n figura 5.19. Arcul electric 1 topete simultan metalul de baz 2, srma-electrod 3 i o parte din fluxul 4. Se formeaz o bul de gaze 5, strbtut de particulele metalului topit. Acestea realizeaz o baie lichid 6, acoperit de zgura 7, ce provine att din topirea fluxului, ct i din reaciile de dezoxidare din baia de metal topit, similare cu cele ce au loc la elaborarea oelului n cuptoare cu arc electric.
Prin solidificarea treptat a bii 6 se formeaz custura sudat 8, acoperit de un strat de zgur solidificat 9. Baia de metal topit este susinut i protejat, la rdcin, de o garnitur metalic 10, executat din cupru sau oel.5.6.2. Sisteme de reglare a lungimii arcului.
Pentru realizarea unei custuri de calitate, la sudarea sub flux este necesar asigurarea unei constane ct mai mari a lungimii arcului electric. n funcie de lungimea arcului variaz tensiunea de sudare, iar n funcie de aceasta variaz intensitatea curentului de sudare. Variaiile n timp ale curentului de sudare se traduc imediat n variaii ale cantitii de metal topit n unitatea de timp, deci n variaii ale formei i dimensiunilor seciunii transversale a custurii realizate. Exist dou tipuri principale de instalaii, n funcie de sistemul de reglare a lungimii constante a arcului, astfel: - instalaiile de sudare automat cu vitez de avans constant (fig. 5.20, a) realizeaz avansarea srmei cu ajutorul unui motor electric asincron (avnd turaie constant) MEA, prin intermediul unui reductor de turaie R i al unor roi dinate de schimb RS. La o modificare a lungimii arcului l, de exemplu la creterea ei de la l1 la l2, (fig. 5.20 b), se produce urmtoarea serie de interaciuni ntre aceasta i tensiunea de sudare Ua, curentul de sudare IS, cldura degajat n arc Q i viteza de topire a srmei vT. l Ua IS Q vT l i invers. Se obine aadar un efect invers al fenomenului iniial, n sensul c dac lungimea arcului a crescut la un moment dat, prin autoreglare ea revine rapid la valoarea iniial. Pentru a se obine un efect de autoreglare ct mai rapid, se folosesc surse de curent cu caracteristic extern cu pant mai mic, astfel nct pentru o anumit valoare a lungimii arcului s corespund o valoare mare a variaiei de intensitate I.
Fig. 5.20. Reglarea automat a lungimii arcului, cu viteza constant a srmei :
a - componena instalaiei; M.E.A. - motor electric asincron; R - reductor; R.S. - roi de schimb (interschimbabile) ; l - lungimea arcului ; b - variaia vitezei de topire a srmei vT, corelat cu lungimea arcului t i cu viteza de avans va. - Instalaiile de sudare automat cu vitez de avans variabil realizeaz avansarea srmei cu ajutorul unui motor electric de curent continuu MCC, (cu turaie variabil), alimentat de un generator de curent continuu GCC, care are o nfurare de excitaie IE legat n paralel cu arcul electric (fig. 5.21). Turaia motorului MCC este variabil n funcie de valoarea tensiunii la bornele nfurrii de excitaie, deci, variaiile lungimii arcului sunt percepute de aceast nfurare ca variaii de tensiune i transformator n variaii de vitez de avans, care restabilesc lungimea arcului, dup schema: l Ua va l i invers.
Pentru a obine o sensibilitate mare a sistemului de reglare se folosesc surse de curent pentru sudare avnd caracteristic extern cu pant mare, astfel nct pentru o anumit variaie a lungimii arcului s corespund o variaie ct mal mare a tensiunii arcului U.
5.6.3. Materiale utilizate la sudarea sub strat de flux.
Fig. 5.21. Schema reglrii automate a lungimii arcului folosind viteza de avans variabil
Srma-electrod utilizat la sudarea oelurilor se fabric din oel carbon sau slab aliat, avnd coninut mic de carbon i fiind cuprat n vederea mbuntirii contactului electric n circuitul de sudare. Ea este standardizat prin STAS 1126-80 n mai multe mrci comerciale. Fluxul este un amestec granular de substane naturale, prelucrate industrial sau n condiii de laborator, coninnd n esen substanele minerale ntlnite n compoziia electrozilor: MnO, CaCO3, CaF2, FeO, Fe2O3, Al2O3, MgO, TiO2, ca i eventuale elemente de aliere i 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 compoziia chimic a fluxului, ce poate fi: acid, neutr sau bazic. De aici rezult o anumit capacitate de dezoxidare a bii, ct i o anumit capacitate de eliminare n zgur a impuritilor. Cel mai des se folosesc dou feluri de fluxuri, deosebite prin modul de fabricare: fluxurile topite i fluxurile aglomerate. Primele au o rspndire mai larg n industrie. Ele au culoare brun n diverse nuane i aspect sticlos, fabricndu-se pe baza topirii mpreun a componentelor i a granulrii amestecului solidificat, dup rcire. Fluxurile ceramice se produc de obicei n cantiti mici prin amestecarea mecanic a componentelor mcinate n prealabil, prjirea fr topire a amestecului i granularea lui, la fel ca i n cazul aglomerrii minereurilor. n procesul de fabricare li se pot aduga n compoziie elementele de aliere dorite. Fluxurile ceramice au culoarea cenuiu-deschis, cu aspect mat. n cazul sudrii oelurilor aliate, pentru compensarea pierderilor de elemente de aliere prin ardere, ntre tipul fluxului i cel al srmei folosite exist o legtur direct i anume : - dac se sudeaz cu flux topit, srma este aliat;
- dac se sudeaz cu flux ceramic, coninnd elemente de aliere, srma este din oel carbon.Tabelul 5.5 Indicaii privind alegerea cuplului srm-flux
Nr. crt. 1
Tipul oelului Oel carbon sau slab, cu sudabilitate bun necondiionat (de ex. marca OLC 10).
Tipul srmei Oel carbon sau oel slab S 10 Mn 2) Oel carbon sau slab condiionat (de ex. marca S 10 Mn 1 Ni 1) Oel aliat (de ex. marca S 40 Cr Mn 1 Si 1)
Tipul fluxului Flux acid, neutru, marca FSM 37) Flux neutru sau marca FB 20). Flux bazic (de ex. marca FB 10) -
Observaii
aliat cu Mn (de ex. marca bazic (de ex.
2
Oel carbon sau slab aliat, cu sudabilitate bun condiionat (de ex. marca OCS 58)
Se recomand la sudarea tablelor groase n mai multe straturi. Sudarea sub flux nerecomandat. Se prefer sudarea n mediu protector de gaze, n straturi subiri.
aliat, cu sudabilitate bun bazic (de ex.
3
Oeluri carbon sau aliate (inclusiv oeluri de scule) cu sudabilitate sczut.
n tabelul 5.5 se dau unele indicaii privind alegerea cuplului srm flux pentru sudarea ctorva mrci de oeluri.5.6.4. Particulariti tehnologice.
Pregtirea marginilor pieselor de sudat se practic la sudarea manual cu arc electric dar difer fa de aceea care se practic la sudarea manual cu arc electric descoperit, n sensul c la prelucrarea lor se ine seama c ptrunderea este mult mai mare datorit posibilitii utilizrii curenilor mai mari, astfel c rosturile au unghiuri mai mici, de regul cuprinse ntre 35 i 55, iar rosturile n I se utilizeaz n mod frecvent la grosimi de table de peste 10 ... 11 mm. De cele mai multe ori se utilizeaz sudarea pe o singur parte, dintr-o singur trecere, ceea ce asigur obinerea unei productiviti foarte ridicate n comparaie cu sudarea manual. n plus, se obin importante economii de material de baz i de adaos, datorit necesitii umplerii unor rosturi cu seciuni transversale relativ mici fa de grosimea tablelor de sudat, ca i datorit pierderilor neglijabile prin stropi. n schimb, piesele trebuie poziionate foarte precis, de
regul cu ajutorul unor dispozitive, astfel nct s fie diminuate la limit orice denivelri ale marginilor. Pentru protecia rdcinii custurilor i pentru susinerea bii de metal topit pe partea opus aceleia n care arde arcul electric se plaseaz anticipat fie garnituri (fig. 5.19, i fig. 5.22, c), fie perne de flux (fig. 5.22, a i b).
Fig. 5.22. Realizarea proteciei rdcinii custurilor sudate :
1 - piesele de sudat ; 2 - flux ; 3 - profile ; 4 - tub flexibil ; 5 - garnitur din oel sau cupru. mbinrile realizate prin sudare automat sub strat de flux sunt mbinri cap la cap sau n unghi, situate n plan orizontal. Volumul relativ mare al bii de metal topit nu permite realizarea unor custuri cu o nclinaie mai mare de 10. O excepie o face realizarea unor suduri circulare n plan vertical, lucrare ntlnit frecvent la sudarea virolelor i capacelor recipienilor cilindrici utilizai n industria chimic sau la construcia vagoanelor cistern (fig. 5.23). ntruct de obicei tablele au grosimi relativ mari, se face o sudare pe ambele pri, cu pregtire n X.5.6.5. Stabilirea parametrilor regimului de sudare
Alegerea parametrilor regimului de lucru la sudarea automat sub strat de flux are o importan deosebit n obinerea unei caliti superioare a mbinrii sudate. Dup alegerea lor, parametrii se verific, de obicei prin ncercri de laborator.
Fig. 5.23 Sudarea recipienilor din tabl :
a - recipient ; b - schema sudrii ; 1 virol ; 2 - capace ; 3 - suduri circulare ; 4 - role de antrenare.
a. Cuplul srma-flux. Srma electrod i fluxul se aleg dintre mrcile i dimensiunile de
fabricaie uzuale, n conformitate cu cele precizate la subcapitolul 5.4.3. De obicei, compoziia chimic este asemntoare cu cea a materialului de baz, dar stabilit astfel ca rezistena custurii s fie cel puin egal cu cea a metalului de baz. Diametrul se alege n funcie de grosimea pieselor de mbinat, conform tabelului 5.6.Tabelul 5.6 Alegerea diametrului srmei-electrod la sudarea automat sub strat ce flux Grosimea tablei s, n mm. 24 4 10 6 14 14 20 Observaii
Diametrul srmeielectrod, n mm.
2 3
3 4
4 5
5 6
La sudarea cu regimuri normale La sudura cu regimuri dure
b. nlimea straturilor de metal depus. De cele mai multe ori sudarea se face dintr-o
singur trecere, sau din dou treceri, pe o parte sau pe ambele pri. nlimea HS a fiecrui strat se calculeaz astfel (fig. 5.24 a). - pentru sudarea dintr-o parte: HS = K s n care : K = 1,05 ... 1,1 pentru sudarea pe pern de flux sau garnitur de cupru; K = 0,75 ... 0,9 pentru sudarea fr pern; [mm] (5.15)
Fig. 5.24. Stabilirea regimului de sudare :
a - elementele geometrice ale seciunii custurii; b - alegerea curentului de sudare corelat cu diametrul srmei-electrod; c - alegerea curentului de sudare corelat cu diametrul srmei i viteza de topire a acesteia.
- pentru sudarea din ambele pri : HS = s + (2...3) [mm] 2 (5.16)
c. Intensitatea curentului de sudare IS se poate stabili tiind c pentru fiecare 1 mm
ptrundere sunt necesari circa (70 ... 80) amperi : I S = (70...80)H S [A] (5.17)
Intensitatea curentului de sudare se coreleaz cu diametrul srmei-electrod, folosind diagrama din figura 5.24 b, sau diagramele din figura 5.24 c, n care se prezint variaiile reciproce ale curentului de sudare, diametrului srmei-electrod i vitezei de topire a srmei. Se recomand intensiti care asigur densiti de curent n srma-electrod de 50100A/mm2. Coeficientul de form CF, al seciunii transversale a custurii sudate variaz invers proporional fa de intensitate.d. Viteza de avans a srmei este aproximativ egal cu viteza de topire a acesteia i se poate
alege din diagrama prezentat n figura 5.24, c. Ea influeneaz adncimea de ptrundere i este n legtur strns cu tensiunea de sudare. n momentele cnd viteza de avans a srmei este mai mic dect viteza de topire, lungimea arcului crete i invers (v. subcapitolul 5.4.2.).e. Tensiunea arcului, corelat cu viteza de topire a srmei, permite controlarea stabilitii
arcului electric. Totodat ea influeneaz asupra adncimii de ptrundere, care are o variaie n sens contrar cu tensiunea arcului. De obicei, la stabilirea tensiunii de sudare sub flux Ua, se utilizeaz relaia: U a = 22 + 0,02 I S [V] topit, nsoit de o uoar lire a custurii.f. Viteza de sudare influeneaz direct asupra productivitii sudrii, ca i asupra formei
(5.18)
Creterea tensiunii de sudare conduce la scderea ptrunderii i la creterea cantitii de flux
custurii sudate. Cu ct viteza de sudare este mai mic limea custurii este mai mare. Viteza de sudare influeneaz i adncimea de ptrundere, mai ales pentru valori pn la 40 m/or; n prima jumtate a intervalului ptrunderea crete cu 5 ... 6 %, iar de la 20 la 40 m/h ptrunderea scade cu 5 ... 6 %. Uzual, pentru sudarea tablelor cu grosimi de 2 ... 8 mm se folosesc viteze de sudare cuprinse ntre 50 i 25 m/or, iar pentru table de 8...40 mm se folosesc viteze de sudare de circa 25 ... 15 m/or. Cu ct grosimea tablelor crete, cu att viteza de sudare scade, avndu-se n vederea asigurrii unei anumite energii degajate pe unitatea de lungime i astfel, s se asigure o anumit ptrundere, nlime i lime a custurii sudate.
Pe baza acestor considerente, se ajunge la noiunea de energie liniar E dat de relaia (5.3), n care randamentul transferului de cldur spre metalul de baz = 0,85 ... 0,9. Aceast energie trebuie s aib urmtoarele valori: 30.000 ... 40.000 J/cm pentru oeluri carbon, 20.000 ... 30.000 J/cm pentru oeluri slab aliate i 15.000 ... 20.000 J/cm pentru oeluri sensibile la fisurare (cu mult carbon sau cu elemente de aliere ce mresc clibilitatea). n cazul n care energia liniar calculat nu se ncadreaz n limitele prescrise, trebuie modificai n mod corespunztor parametrii regimului de sudare.
Fig. 5.25. ncrcarea prin sudare cu band-electrod :
M - motor electric ; R - reductor ; C - cuplaj ; R.A - roi de acionare ; BE - band-electrod ; SCS - sursa de curent pentru sudare ; vS viteza de sudare : va - viteza de avans a benzii.5.6.6. Procedee de sudare sub flux, cu productivitate mrit.
Dintre aceste procedee remarcm urmtoarele : - sudarea cu band-electrod prezentat n figura 5.25 se utilizeaz, mai ales, ca procedeu de ncrcare prin sudare, n scopul obinerii unor piese placate cu straturi superficiale din materiale speciale sau n scopul recondiionrii unor suprafee uzate ale pieselor. Banda este laminat la rece, la seciuni de 50x0,5 mm sau 25x0,5 mm. Uneori se folosesc dou benzi, dintre care numai una joac i rol de electrod n arcul electric: - sudarea cu mai multe arce (fig. 5.26). n scopul mririi productivitii sudrii se pot utiliza mai multe arce simultane, lucrndu-se dup una din urmtoarele scheme: cu arce separate (a), cu arce lucrnd n aceeai cavitate n serie (b) sau independente (c), sau cu arce gemene (d).
Fig. 5.26. Sudarea cu mai multe srme-electrod :
a - sudarea cu arcuri separate ; b - sudarea cu srme (cu arcuri) n serie ; c - sudarea cu arcuri independente in aceeai baie; d - sudarea cu arcuri gemene; S, S1, S2 - surse de curent ; MB - metalul de baz ; vS - viteza de sudare ; va1, va2 - vitezele de avans ale srmelor.5.6.7. Sudarea semiautomat sub flux.
Modul operator al sudrii semiautomate sub flux este dat n figura 5.27, a. Sudarea semiautomat sub flux se folosete la custuri de lungimi mai mici, n locuri greu accesibile sau cu traiectorii curbe. Se folosesc srme cu diametrul de 1,2; 1,6; 2 mm i densiti mari de curent, rezultnd cureni de sudare IS = 350 ... 600 A. Se pot realiza mbinri cap la cap sau n unghi. n general, pentru a se uura observarea zonei de formare a custurii se utilizeaz "sudarea spre napoi", cu ajutorul unui cap semiautomat de sudare sub flux, dirijat de sudor cu viteza de sudare v S . Srma-electrod este mpins spre capul de sudare printr-un tub flexibil multifuncional, avnd construcia dat n figura 5.27, b.
Fig. 5.27. Sudarea semiautomat sub flux :
a - tehnica operatorie ; b - tubul flexibil multifuncional ; MB - metalul de baz : MA - metalul de adaos ; RF - rezervor de flux ; M - mner de dirijare ; CM - cablu multifuncional ; K - ntreruptorul micrii de avans ; va - viteza de avans ; v - viteza de sudare ; 1 - srma-electrod; 2 - are elicoidal; 3 - izolaie; 4 - conductoarele circuitului de sudare; 5 - conductoarele circuitului de comand a micrii de avans; 6 - izolaia exterioar. Procedeul prezint dezavantajul imposibilitii observrii directe a bii de metal topit, n condiiile neasigurrii unei viteze de avans constante, ceea ce poate duce la apariia unor defecte n custura sudat.5.6.8. Sudarea sub flux pe vertical
Rezolvarea acestei probleme se face prin msuri cu totul speciale, privind susinerea bii de sudare si a fluxului, cu ajutorul unor garnituri metalice i al unor role, care mbrac de jur mprejur rostul, n momentul sudrii. n figura 5.28 se prezint alte soluii ale acestei probleme: utilizarea unei srme tubulare, din band ndoit, coninnd flux la interior (a) sau folosirea unui flux magnetic metalo-ceramic (b), care se magnetizeaz i se strnge n jurul srmei-electrod, la trecerea prin aceasta a curentului de sudare. Aceste fluxuri se topesc i n cea mai mare parte ard n arcul electric asigurnd practic protecia arcului prin intermediul gazelor rezultate din ardere. Sudarea sub strat de flux se aplic pe o scar foarte larg n producia de serie a structurilor sudate din table groase, mai ales la lungimi relativ mari ale custurilor. Ea folosete instalaii relativ scumpe, dar care asigur o calitate foarte bun a sudurii i o productivitate, n unele cazuri, de peste 10 ori mai mari dect cea a sudrii manuale cu electrozi nvelii, la preuri avantajoase.
Fig. 5.28. Materiale speciale pentru sudarea sub flux :
a - srm-electrod tubular cu flux n interior ; b - srm acoperit local cu flux magnetic; 1 - srma; 2 - fluxul.
Fig. 5.29. Schema sudrii cu hidrogen atomic.
Fig. 30. Schema sudrii cu arc electric n mediu de CO2 5.7. Sudarea cu arc electric n mediu protector de gaze 5.7.1. Clasificare
Aceste procedee utilizeaz energia termic a unui arc electric ce arde ntr-o atmosfer gazoas protectoare, care mpiedic ptrunderea n custur a oxigenului i azotului. n acest scop se folosesc fie gaze active (H2, CH4, CO2), fie gaze inerte (Ar, Ne). Gazele sunt trimise cu suprapresiune n jurul arcului electric.
n funcie de felul gazului protector folosit i al materialului electrodului (fuzibil sau nefuzibil), rezult urmtoarea clasificare a procedeelor de sudare cu are electric n mediu protector de gaze : - n gaze active - sudare cu electrod fuzibil - n gaze inerte (i amestecuri) - cu hidrogen atomic - sudare cu electrod nefuzibil - n gaze inerte (i amestecuri)
5.7.1.1. Sudarea cu hidrogen atomic (arc-atom).
Se folosete ca gaz protector hidrogenul ce protejeaz un arc electric cu aciune indirect produs ntre doi electrozi din wolfram 1 (fig. 5.29). Pentru alimentarea arcului se folosete curentul alternativ cu tensiune mare (220 ... 300 V la amorsare i 30 ... 120 V n timpul sudrii) i intensitate relativ mic: 10 ... 70 A. Din cauza tensiunilor ridicate de lucru i a costului ridicat al gazului i instalaiei, folosirea procedeului este limitat, utilizndu-se relativ rar; la sudarea sau repararea unor piese din aliaje neferoase sau oeluri bogat aliate.5.7.1.2. Sudarea cu arc electric n mediu protector, cu electrod fuzibil
Gazele protectoare folosite pot fi: bioxidul de carbon sau argonul.a. Sudarea cu arc electric n mediu de bioxid de carbon. Procedeul, cunoscut i sub denumirea
de procedeu MAG (Metal Activ Gas) folosete schema de principiu din figura 5.30. Arcul electric cu aciune direct, produs ntre srma-electrod 1 i metalul pieselor 2, este protejat de ctre bioxidul de carbon ce iese din ajutajul 3. Sudarea se realizeaz n curent continuu cu polaritate invers. La temperatura nalt atins n arcul electric bioxidul de carbon se disociaz altfel:CO 2
CO + O2
(5.19)
Oxigenul atomic rezultat din disocierea bioxidului de carbon are o puternic aciune oxidant asupra elementelor componente ale materialului sudat. n baia de metal topit se vor produce pe lng reaciile de oxidare i reacii de reducere a oxizilor formai. Compuii rezultai pot iei n aer (CO) sau trec n zgur (MnO, SiO2). ntruct n cazul oelurilor siliciul i manganul particip intens la aceste reacii, consumndu-se, este necesar ca srma folosit s fie aliat cu aceste elemente. Sudarea n mediu protector de CO, se aplic oelurilor carbon sau slab aliate. Procedeul prezint ca principale avantaje: productivitate ridicat, cost sczut al bioxidului de
carbon, posibilitatea executrii sudurilor de poziie, vizibilitatea arcului electric etc. Principalul dezavantaj al procedeului l constituie posibilitatea apariiei defectelor de sudare. De cele mai multe ori, procedeul se folosete n varianta semiautomat. n acest caz srmaelectrod este att tras ct i mpins (de nite role acionate de turbine cu aer comprimat), printr-un tub flexibil multifuncional (fig. 5.31).
Fig. 5.31. Sudarea cu electrod metalic, n gaze protectoare (procedeele MIG i MAG) :
a - modul operator ; MB - metalul de baz ; SE - srma-electrod ; CSE - caseta srmei-electrod ; GP - gazul de protecie ; BC - buca de contact electric ; RA - role de acionare ;v S - viteza de sudare ; v a - viteza de avans a srmei ; v p - viteza de pendulare (folosit eventual) ;
b - tubul multifuncional : 1 - nveli exterior ; 2 - cablu de sudare, multifilar, tubular ; 3 - tub flexibil izolant ; 4 - srma-electrod. Srma folosit frecvent are diametre mici i este antrenat n micare de avans cu vitez constant, stabilit astfel nct viteza de topire s fie egal cu viteza de avans. Valorile curentului de sudare sunt relativ mari. Raportate la seciunile mici ale srmei ele conduc la densiti mari de curent, ceea ce implic arderea arcului n zona cresctoare a caracteristicii lui statice. n aceste condiii este avantajoas folosirea unor surse de curent cu caracteristica extern rigid sau chiar uor urctoare, avantajul derivnd din considerente similare celor prezentate n capitolul 5.5.2 i figura 5.6. Cu ct srma-electrod este mai subire, cu att efectul de autoreglare a stabilitii lungimii arcului este mai pronunat. Modul de transfer al metalului de adaos. Transferul particulelor de metal de adaos de la srm la baia de metal topit se face n 3 moduri diferite: cu transfer fin, cu arc scurt sau cu curent pulsator. Procedeul de sudare cu transfer fin folosete un arc relativ lung, i cureni mari. Metalul topit este transferat din captul srmei electrod ctre baia de sudare, sub form de picturi fine, fr a se scurtcircuita arcul electric: Aspectul sudurii depinde de intensitatea curentului, care stabilete numrul de picturi formate
n unitatea de timp. Se obin depuneri suficient de uniforme, cu condiia ca numrul de picturi s fie de cel puin 20/sec. Densitatea mare de curent face ca baia de sudur s aib seciune mare, ceea ce limiteaz folosirea procedeului la sudarea n plan orizontal sau cel mult uor nclinat, iar ptrunderea mare implic, uneori, necesitatea utilizrii unor sisteme de susinere a bii. Ca urmare, folosirea practic a sudrii cu transfer fin este limitat la executarea mbinrilor n unghi (baia e susinut de nsi piesele sudate) sau la realizarea unor mbinri cap la cap, la care rdcina a fost sudat cu o alt metod.Sudarea cu arc scurt. n acest caz, arcul electric este meninut scurt, n mod voit. Pictura
ce se formeaz n captul srmei-electrod intr n contact cu baia de metal topit. Se produce astfel un scurtcircuit, care impune generatorului debitarea unui curent cu intensitate sporit, al crui efect e concretizat n tierea punii metalice de legtur a picturii cu srma. Apoi ciclul se repet. Tensiunea optim este 15 ... 20 V. Frecvena picturilor este cu att mai mare, cu ct srma este mai subire. ntruct se lucreaz cu cureni relativ mici, metoda se aplic cu succes la sudarea iniial a rdcinii. Trecerea de la regimul de lucru cu arc scurt la cel cu transfer fin se realizeaz, de regul, la un curent de circa 175 ... 300 A, n funcie de diametrul srmei i la tensiuni de sudare de 20...25 V, dup cum rezult din figura 5.32.
Fig. 5.32. Transferul metalului de adaos spre custur :
a - corelaia cu valorile curenilor i tensiunilor de sudare; b - corelaia cu viteza de avans, curentul de sudare i diametrul srmei-electrod. Acest prag se numete "curent critic". Curentul critic este mai mic pentru diametre de srm mici i crete odat cu creterea acestuia, pn la valorile maxime indicate. Curentul critic este dependent de gazul protector folosit.
Sudarea cu arc pulsator. La acest procedeu se folosete un curent ce alimenteaz arcul n
mod permanent, favoriznd topirea extremitii electrodului, dar fr s fie capabil s realizeze o tiere sistematic i regulat a picturilor, ca urmare a cmpului su electro-dinamic. Desprinderea picturilor este ncredinat unui al doilea curent, lansat n intervale regulate i capabil de a realiza separarea picturilor. Se creeaz posibilitatea de a interveni n frecvena picturilor, care este stabilit de frecvena impulsurilor curentului pulsant. Acest procedeu realizeaz o mrire artificial a frecvenei de formare a picturilor, fr a se ajunge la stingerea arcului, cum se ntmpl uneori n cazul precedent. Procedeul poate fi folosit la sudarea materialelor subiri, orizontale i de poziie, fiind evident necesar o surs de curent special.b. Procedeul MIG. Tehnica operatorie folosit la procedeul MIG (Metal Inert Gas) este
identic cu cea a procedeului MAG (v. fig. 5.31), cu deosebirea c gazul de protecie utilizat cel mai des este argonul. El ofer o bun protecie a arcului, favoriznd transferul metalului sub form de particule foarte fine, ntr-un arc electric foarte concentrat din punct de vedere termic, care favorizeaz o ptrundere mare numai pe o lime mic a bii. Lirea zonei de ptrundere se poate realiza prin adugarea de circa 5 % O2 n amestec cu argonul, concomitent cu folosirea unor srme coninnd cantiti mai mari de dezoxidani (Si sau Mn). Argonul asigur productiviti mari ale depunerii metalului de adaos, permind, n acelai timp, obinerea unor custuri netede i uniforme. Procedeul se aplic frecvent la sudarea oelurilor aliate i inoxidabile, ca i la sudarea metalelor neferoase (Cu, Al, Ni etc.) i a aliajelor lor, utilizndu-se mai rar la sudarea otelurilor carbon (numai la custuri de poziie i la oeluri cu coninut ridicat de carbon). La sudarea oelurilor carbon se poate aduga pn la 25% O2, iar la sudarea oelurilor aliate adaosul de oxigen poate fi pn la 2%. La sudarea aliajelor pe baz de Al, Mg, Ti i Cu, care se oxideaz uor, este exclus folosirea oxigenului, iar argonul folosit trebuie s aib o puritate foarte mare. n caz contrar se produc defecte ale custurii sudate. n unele ri n loc de argon se folosete heliul extrgndu-se de regul din zcminte, asemenea gazului metan. Acesta conduce la limi mai mari n profunzimea custurii sudate i n general, n Europa este mai rar i mai scump dect argonul. La sudarea n gaze inerte nu se formeaz zgur deasupra custurii sudate, ceea ce permite observarea uoar a procesului de sudare i deci creterea vitezelor de sudare. La rndul ei, aceasta permite lucrul cu energii liniare mici, care determin aplicabilitatea procedeelor de sudare n gaze inerte la realizarea structurilor sudate din materiale avnd chiar sudabilitate foarte sczut.c. Parametrii regimului de sudare prin procedeele MAG i MIG sunt: procedeul de
transfer al metalului de adaos, intensitatea curentului de sudare, tensiunea arcului, viteza de avans a
srmei i diametrul acesteia, geometria seciunii transversale a rostului, debitul de gaz de protecie i compoziia chimic a acestuia etc. Unele corelaii ale acestora au fost prezentate n figura 5.32 iar altele se prezint n figura 5.33. Srmele cel mai des utilizate au diametrele: 0,8 ; 1 ; 1,2 ; 1,6 mm i o compoziie chimic asemntoare cu cea a metalului de baz, cu precizrile menionate anterior. Uneori dezoxidanii se plaseaz n interiorul srmelor (v. fig. 5.28, a). Diametrul srmelor obinuite se alege proporional cu grosimea pieselor de sudat i cu sudabilitatea metalului de baz.
Fig. 5.33. Corelaia dintre curentul de sudare i viteza de avans a srmei :
a - n cazul procedeului MAG ; b - n 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, n mm 0,6 0,8 l,0 1,2 1,6 2,4 transfer fin 130 160 180 200 275 300
IS, n A arc scurt 50 70 80 100 175 250
Tabelul 5.8 Valorile tensiunii de sudare U, [V]
Materialul de baz aluminiu oel carbon oeluri slab aliate oteluri inoxidabile
de = 1,6 mm transfer fin 25 28 28 26
de = 0,9 mm arc scurt 19 17 17 18
Creterea intensitii determin mrirea adncimii de ptrundere i scderea uoar a limii custurii, iar creterea tensiunii duce la o uoar mrire a limii sudurii. n cazul materialelor cu sudabilitate sczut (oeluri inoxidabile, aliaje de aluminiu, aliaje de cupru) se recomand sudarea n mai multe treceri, cu viteze mari de sudare si diametre ct mai mici ale srmei-electrod. Debitul de argon folosit variaz ntre 0,7 i 1,5 l/min. Parametrii tehnologici la sudarea prin procedeul MAG se stabilesc astfel : - Diametrul srmei-electrod se alege astfel ca n cazurile cnd nu sunt probleme deosebite legate de amorsarea i meninerea arcului, de scurgeri ale bii de metal topit, de sudabilitate etc., s se foloseasc srme groase, ce asigur productiviti mari (la cureni corespunztori), iar n cazul invers al materialelor cu sudabilitate slab, la custuri de poziie etc.) s se foloseasc srme ct mai subiri. - Intensitatea curentului de sudare IS se alege n funcie de diametrul srmei-electrod, n limitele indicate n tabelul 5.9 i din figura 5.33, b.Tabelul 5.9 Corelaia ntre de i Is
de, [mm] Is, [A]
0,8 60 150
1,0 80 180
1,2 90 270
1,6 120 350
Valorile mici ale curentului la de = 0,8 . . . 1,0 mm sunt indicate mai ales la sudarea cu arc scurt a tablelor subiri. Prin creterea curentului scurtcircuitrile dispar, iar transferul se face prin picturi fine (la densiti de curent I = 150 ... 200 A/mm2). - Tensiunea Ua se stabilete la valori ct mai mici, cu condiia ca arcul s ard stabil. Valori orientative pentru tensiunea arcului sunt indicate n tabelul 5.10.
- viteza de sudare vs, dac se lucreaz n varianta semiautomat, este un parametru rezultant. n cazul sudrii automate (de exemplu prin prinderea capului de sudat pe un crucior autopropulsat) se pot folosi recomandrile din tabelul 5.11. - Debitul de gaz protector crete odat cu grosimea metalului de baz i se alege, orientativ, din tabelul 5.12.Tabelul 5.10 Alegerea tensiunii arcului Ua
s, [mm] 2 28 28
de, [mm] 0,6 1,2 1,6 2
Ua, [V] 16 18 17 25 34Tabelul 5.11
Alegerea vitezei de sudare
de, [mm] 0,8 1,2 1,6 2,0 1,6 2,0
vs [m/h] 5 26 12 40 12 40
Cnd sudarea are loc n locuri cu ventilaie natural sau forat la locul de munc, valorile debitului de gaz se pot mri cu pn la 500%. - Viteza de avans a srmei va se alege n funcie de curentul de sudare i de diametrul srmeielectrod conform diagramei din figura 5.33, b. - Lungimea liber a electrodului ll, adic distana dintre captul patinei i captul srmei, influeneaz att procesul de transfer al metalului prin arcul electric, ct i consumul de gaz protector. n condiiile nclinrii optime a srmei-electrod fa de verticala 15 ... 20, se pot folosi valorile lungimii libere a electrodului date n tabelul 5.13.Tabelul 5.12 Alegerea debitului de CO2
de, [mm] 0,8 1,2 1,6 2,0
Q CO 2 ' [l/min] 6 10 10 20
Tabelul 5.13 Lungimea liber a srmei-electrod, ll [mm]
de ll
0,8 6 10
1 7 12
1,2 8 14
1,6 12 18
2 14 22
Creterea lungimii libere a electrodului conduce la topirea lui mai rapid, deci la lungirea arcului, impietnd asupra randamentului termic i de transfer al masei de metal n custur. Procedeele MIG i MAG se utilizeaz, n prezent, din ce n ce mai des, asigurnd o mare productivitate i mai ales o calitate superioar a sudurii la materiale care se sudeaz dificil cu electrozi nvelii. La custuri lungi, rectilinii sau circulare, procedeul se aplic de multe ori n varianta complet automatizat.d. Sudarea cu arc electric n mediu protector de gaze, cu electrod nefuzibil (WIG).
Acest procedeu se aplic de obicei manual, dup o schem de principiu prezentat n figura 5.34.
Fig. 5.34.Tehnica operatorie la procedeul WIG.
Arcul electric se realizeaz ntre metalul de baz MB i un electrod nefuzibil EW, fabricat de regul din wolfram sau din wolfram-thoriat, de unde provine i denumirea prescurtat a procedeului (Wolfram Inert Gas). Electrodul i respectiv metalul de baz, se racordeaz la cei doi poli ai sursei de curent de sudare US. Arcul arde ntr-un jet de gaze protectoare GP, inerte MB (de obicei argon, iar uneori heliu) sau n amestecuri de gaze aduse n ajutajul A, n jurul captului electrodului. Metalul de adaos MA, sub forma unei vergele, de compoziie compatibil fa de aceea a metalului de baz, execut o micare avnd dou componente:
1) este micarea de avans, fiind caracterizat de vectorul vitez de avans v a iar 2) este micarea n direcia de sudare, caracterizat prin vectorul vitez de sudare v S . Micarea de avans este alternativ (de coborre urmat de ridicare), iar micarea n direcia de sudare este intermitent. Ea se desfoar n 2 etape, corespunztoare topirii picturilor de metal de adaos i depunerilor pe marginile pieselor de sudat, topite i ele treptat sub influena arcului electric realizat de electrodul din wolfram EW, deplasat n direcia de sudare. Micarea acestuia, caracterizat de vectorul v S , precede micarea vergelei metalului de adaos, n scopul topirii unei zone a marginilor rostului, nainte de depunerea picturii de metal de adaos. Procedeul WIG se utilizeaz, mai ales, n cazul sudrii tablelor din oeluri inoxidabile subiri i n cel al sudrii aliajelor de aluminiu, cupru, magneziu i titan, nlocuind n prezent n mare msur n aceste domenii, sudarea cu electrozi nvelii i sudarea cu flacr oxigaz. Se folosete fie curentul continuu, fie cel alternativ. Avantaje maxime se obin la folosirea polaritii directe, cnd, electrodul se consum cel mai puin, captul liber al acestuia ia o form conic, ascuit, realizndu-se mari concentrri ale curentului de sudare i ale energiei, ca i coeficieni de depunere maximi. La sudarea aluminiului i magneziului se folosete curentul alternativ. Gazul protector utilizat de regul este argonul. Uneori se folosesc amestecuri de gaze inerte i active neoxidante (Ar + He, Ar + H2), pentru prevenirea consumrii electrodului. Prevenirea sudrii electrodului de metalul de baz, la amorsarea arcului electric, se face prin utilizarea unei surse de curent speciale, avnd un generator de oscilaii de nalt frecven, care sunt induse n 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. n literatura de specialitate parametrii tehnologici recomandai se prezint n special tabelar, ca rezultate ale unor cercetri experimentale. n tabelele 5.14 i 5.15 se prezint unele exemple de regimuri recomandate la sudarea tablelor din oel inoxidabil, respectiv din Al i Cu. Viteza de sudare la procedeul WIG este variabil, ntre 5 i 60 m/or. Ea se alege cu att mai mare, cu ct ptrunderea i aria seciunii transversale a custurii trebuie s fie mai mici. Trebuie avut n vedere faptul c valorile mari ale vitezelor de sudare implic 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 sczut.EW
MA
Tabelul 5.14 Parametrii regimului de sudare WIG, pentru oel inoxidabilNum-rul stra-turilor Debit de gaz [l/min] Intensit. curent [A] Tipul mbinrii i forma rostului s b c r Dimensiunile rostului [mm] d electrod [mm] D ajutaj [mm]
1 1,5 1 1,5 2 2
0 0 0 0 0 0
1 1 -
1,5 2,5 -
1,5 1,5 1,5 1,5 2 2
9 9 9 9 9 9
5 5 5 5 6 6
1 1 1 1 2 1
80 100 70 75 90 110 112 100 100
4
0,5
-
-
3
13
6
2
140 135
Tens. arc [V] 21 22 20 21 21 21 21 23 23
Tabelul 5.15 Regimuri recomandate pentru sudarea aluminiului i cuprului prin procedeul WIGIntensitatea curentului Is [A] Dimensiunile rostului [mm] Debit gaz [l /min] electrod [mm] Metal de baz
Tipul mbinrii i forma rostului s x b c r
1 1,5 Aluminiu
-
0 0
1 1,5
1,5 2
1,6 1,6
9 9
6 9
1 1
55 80
1,5 3
-
0 0
-
-
3 3
9 9
6 6
1 1
8082 150155
3 0 8
60
0 0 1
1
-
3 4 4
9 13 13
8 12 13
1 2 1 2 1 2
150 120 250 80 195200 200300 80
1
-
0
1,3
1,3
1,3
9
6
1
1,3 2 Cupru 3 4 4
60
0 0 0 0 0
1
-
1,5 2 3 4 4
9 9 9 13 13
6 6 7 8 8
1 1 1 2 1 2 1
120 155 200 150 220 190 250
Tensiunea arcului Ua [V] 20 21 22 23 23 21 27 25 22 24 20 22 25 25 24 26 25 27
Nr. straturilor
ajutaj [mm]
5.8. Sudarea cu plasm
Acesta este un procedeu special de sudare, la care arcul electric arde strangulat i alungit ntr-un ajutaj prin care trece un anumit debit de plasm termic, obinut prin ionizarea n arcul electric a unui gaz plasmagen. Dispozitivele utilizate n scopul realizrii acestor condiii se numesc plasmatroane. Se disting dou variante ale procedeului: sudarea cu jet de plasm (denumit i sudare cu arc netransferat - fig. 5.35, b) i sudarea cu arc de plasm (numit i sudare cu arc transferat - fig. 5.35, a). Acest procedeu de sudare utilizeaz un arc electric ntreinut ntre un electrod nefuzibil i corpul ajutajului de strangulare. Arcul arde ntr-un mediu protector de gaze.
Fig. 5.35. Sudarea cu plasm:
1 - piese ; 2 - electrod ; 3 - ajutaj ; 4 - disc ceramic. Pentru sudare se utilizeaz de obicei jetul de plasm, obinut dup schema din figura 5.35, b. Sudarea se realizeaz cu metal de adaos - srm introdus n baia de metal topit - sau, mai frecvent, fr metal de adaos. Pentru a se asigura o protecie eficient a bii de metal topit se poate utiliza un gaz. de protecie (argon, hidrogen) trimis n jurul jetului de plasm printr-an orificiu inelar al ajutajului (fig. 5.35, c). Se pot suda cu plasm toate materialele sudabile prin procedeul WIG, cu avantajele create de o vitez de sudare mai mare, grosimi mai mari ale pieselor sudate i o pregtire a pieselor mult mai puin pretenioas. Modul operator al procedeului este, n general, similar cu cel al procedeului WIG, descris anterior. Atunci cnd sudarea cu plasm se practic fr srm de adaos, cantitatea de metal suplimentar necesar umplerii rostului pe ntreaga lungime a custurii sudate, se aduce n aceste cazuri din nite plcue de compensaie, sudate la capetele mbinrii, unde altfel ar rmne o zon nesudat.
Se disting dou grupe de regimuri de folosire a plasmei: sudarea obinuit cu plasm i sudarea cu microplasm. Pentru sudarea obinuit cu jet de plasm se folosete un curent de sudare IS = 80 350 A, la tensiuni ele sudare US = 15 30 V. Debitele de gaz plasmagen sunt cuprinse ntre 0,5 20 l/min iar debitele de gaz de focalizare variaz n limitele 1,5 l/min. Cel mai des utilizat este argonul, iar uneori amestecuri de gaze: Ar + H2, Ar + He, Ar + N2. La sudarea cu microplasm, aplicat pieselor cu grosimi sub 1 mm, sub form de tabl, benzi sau srm, se utilizeaz cureni de sudare foarte mici, variind ntre 0,4 10 A, la tensiuni de sudare Ua de 20 30 V. Debitele de gaze plasmagene i de protecie sunt mici, variind ntre 0,2 i 1 l/min. n tablele 5.16, 5.17 i 5.18 se dau unele exemple de regimuri de sudare cu plasm i microplasm. Sudarea cu plasm sau microplasm este un procedeu scump, fiind rentabil numai n cazul mbinrii oelurilor nalt aliate i inoxidabile, avnd sudabilitate sczut i n cazul metalelor cu afinitate mare fa de oxigen (Al, Ti, Cu etc.).Tabelul 5.16 Regimurile de sudare ale aluminiului cu plasm
s, [mm] 3 4 5 6 7 8
I S, [A] 120 150 220 300 330 350
Ua, [V] 16 16 18 18 20 20
vS, [m/h] 50 30 30 30 20 20
Gaz plasmagen (Ar), [l/min] 23 23 34 45 56 56Regimuri de sudare cu microplasm
Gaz focalizare (Ar), [l/min] 4 4 6 7 8 9Tabelul 5.17
Aliaje sudate Oel inoxidabil
s, [mm] 9,75 0,5 0,25 0,12 0,55 0,40 0,2 0,1 0,1
I S, [A] 10 8 6 2 10 6 5 3 10
Ua, [V] 30 30 30 30
Gaz plasmagen (Ar). Debitul [l/min]
Gaz de focalizare Debitul, [l/min] 0,73 0,60 0,52 0,50 Ar Ar + 4% H2 Ar + 3% H2 Ar + 1% H2 Ar + 75% H2 Ar Ar Ar + 5% H2 Ar + 5% H2 Compoziie
0,3
Aliaje de titan
30 30
0,3 0,3
0,58 0,58
Cupru
Tabelul 5.18 Regimuri de sudare cu microplasm, n puncte, ale oelului inoxidabil
s, [mm] 0,25 0,25 0,12 0,08 0,025
I S, [A] 10 10 6 2 0,4
Ua, [V] 25 25 20 20 20
Gaz plasmagen (Ar), [l/min] l/min
Gaz de protecie Compoziie Ar + 3% H2 Ar
Timp de sudare, [s] 0,6 0,8 0,2 0,2 0,3
0,5
0,6
Ar + 2 % H2 Ar + 2 % H2 Ar
5.9. Sudarea prin topire sub baie de zgur 5.9.1 Schema de principiu i modul operator
Acest procedeu folosete ca principal surs de energie cldura degajat la trecerea curentului electric prin zgura lichid ce se formeaz la suprafaa unei bi metalice de sudare. Procedeul se aplic pe scar larg la sudarea pieselor de grosime mare (40 ... 500 mm) dintr-o singur trecere, pe vertical, ca de exemplu la confecionarea virolelor pentru tamburii cazanelor mari de abur, a batiurilor mainilor unelte grele i oriunde este posibil nlocuirea pieselor complexe din oel turnat sau forjat cu ansambluri sudate. Schema de principiu a procedeului este dat de figura 5.36, a. Cele dou piese care se sudeaz sunt aezate fa n fa, ntre ele lsndu-se un spaiu de o anumit mrime. Pentru formarea bii metalice de sudare, se aeaz sub piesele sudate, n dreptul rostului o plac de nchidere, iar lateral se poziioneaz dou patine de cupru rcite forat cu ap. Srma-electrod este condus spre baia de sudare, printr-un tub de ghidare (ajutaj). Un pol al sursei de curent se leag la piesele de sudat, cellalt la srma-electrod.
Fig. 5.36. Schema sudrii electrice sub baie de zgur:
1 - piesele de sudat; 2 - srm-electrod; 3 - patine de cupru; 4 - plac de nchidere a bii; 5 - sudur ; 6 - metal solidificat; 7 - metal lichid; 8 - zgur lichid; 9 - viteza da sudare; v p - viteza de pendulare a srmei-electrod; v a - viteza de avans a srmei-electrod.
Amorsarea sudrii ncepe prin aprinderea unui arc electric sub un strat de flux introdus iniial n spaiul dintre piese i patine. Dup formarea zgurii, rezultat din topirea fluxului, arcul se stinge, circuitul de sudare nchizndu-se prin baia de zgur electroconductoare care vine n contact cu electrodul. Pe msur ce electrodul se consum, el este avansat n baia de zgur, contribuind mpreun cu metalul pieselor la formarea sudurii. ntruct sudura se dezvolt pe vertical, este necesar ca patinele de cupru s se deplaseze pe vertical, meninnd n continuu baia de metal topit i baia de zgur. Prin sudare sub baie de zgur se pot realiza i suduri circulare (fig. 5.36, b). ntregul proces este automatizat.
Pentru mrirea productivitii sudrii se pot utiliza urmtoarele soluii : - imprimarea unei micri transversale electrodului, v p ; - folosirea simultan a mai multor srme-electrozi ; - folosirea unor electrozi de construcie special : benzi, evi etc. (fig. 5.36, c i d). n cazul folosirii electrozilor lamelari (fig. 5.36, c), acetia coboar pe vertical cu vitezav a , fiind fixai la partea superioar n dispozitivul de avans. n cazul folosirii sistemului cu ajutaj
fuzibil (fig. 5.36, d), electrozii sunt srme ce se deplaseaz cu viteza va prin nite evi sau alte elemente de ghidare, solidare cu nite plci fixe, constituind metal de adaos i avnd rolul de a micora cantitatea de srm de sudare consumat pentru umplerea rostului mbinrii.5.9.2. Stabilirea parametrilor regimului de sudare
Pentru sudarea obinuit n baie de zgur (cu srm-electrod) se stabilesc urmtorii parametrii ai regimului de sudare: - Natura metalului de adaos se alege astfel nct compoziia chimic a acestuia s fie apropiat de cea a metalului de baz, iar rezistena de rupere s fie cu circa 10 % mai mare dect cea a metalului de baz. - Numrul srmelor-electrod n, se alege conform tabelului 5.19, crescnd odat cu grosimea s a pieselor de sudat. Tot astfel, diametrul srmei electrod variaz cresctor cu grosimea pieselor de sudat, ntre 2,5 i 12 mm.Tabelul 5.19 Legtura dintre s i n Grosimea pieselor [mm] Numrul n, de electrozi utilizai
pn la 50 50 500 150 300 300 800
1 2 3 4 12
Cel mai des se utilizeaz srme cu diametrul de 3,25 i 4 mm. - Distana L ntre srme se coreleaz cu ali parametri, conform relaiei: L= 1 (s + a 1 2a 2 ) n [mm], (5.20)
n funcie de grosimea pieselor s, numrul srmelor electrod n, distana minim (la pendulare), ntre electrozi a1 i distana ntre electrozii marginali i patinele laterale a2. La sudarea cu poziii fixe ale srmelor-electrod se consider avantajoas distana L avnd valori de 50 60 mm, iar la sudarea cu pendulare se ia L = 100 150 mm.
- Lungimea liber a srmei-electrod (de la buca de contact, la baia de zgur) este n mod frecvent de 60 80 mm, iar cu msuri speciale ajunge pn la 200 mm. - Viteza de avans a srmei-electrod, corelat pe baze experimentale cu diametrul acestuia i cu puterea sursei de curent de sudare, se stabilete de regul, la valori de 1,5 8 m/min. - Tensiunea de sudare, debitat de regul de o surs cu caracteristic extern rigid, este de 35 55V. - Viteza de sudare vs se coreleaz cinematico-geometric cu viteza de avans a srmei-electrod va, cu diametrul acestuia, de i cu aria A, a seciunii transversale a rostului astfel: vs = va 2 A se de = va Ar 4bl
(5.21)
- unde Ase este aria seciunii transversale a srmei-electrod, iar b i l sunt limea i respectiv lungimea rostului. Relaia (5.21) are la baz egalitatea dintre cantitatea de metal topit din srma-electrod n unitatea de timp i cantitatea de metal depus n rost, pierderile de metal fiind complet neglijabile. n cazul folosirii ajutajelor fuzibile, aria rostului se calculeaz, excluznd din calcul aria seciunii transversale a ajutajului fuzibil, care uneori poate fi variabil, n funcie de configuraia pieselor de sudat. - Densitatea de curent n srma-electrod se alege la valori de 30 ... 100 A/mm2, conducnd la utilizarea unor valori medii ale curenilor de sudare de circa 200 1000 A pentru fiecare srmelectrod. n mod frecvent se lucreaz cu coeficieni de topire de 30 ... 40 g/Aor ajungndu-se n cazuri sp
