Sudarea prin topire

Sudarea prin topire

Exista o multitudine de modalitati de materializari a principiului fizic al sudarii , din punct de vedere al formei de energie utilizate , al tipului de electrod utilizat si a altor modalitati concrete de realizare a imbinarii sudate. Acestea se pot clasifica dupa cum urmeaza :

A.   Dupa starea de agregare a metalului de baza :

I.      Prin topire

I.1. Cu energie electrica

I.1.1. Cu arc electric

Ì.1.2. In baie de zgura

I.1.3. Cu plasma

Ì.2. Cu energie chimica

I.2.1. Cu flacara de gaze

I.2.2. Cu termit

I.3. Cu energie de radiatii

II.   Prin presiune

II.1. La cald

II.1.1. Cu incalzire cu flacara

II.1.2. Cu incalzire in cuptor

II.1.3. Cu incalzire electrica

II.2. La rece

II.2.1. Cu deformare plastica la rece

II.2.2. Cu ultrasunete

1. Sudarea prin topire cu energie electrica

Energia necesara topirii poate fi obtinuta prin :

- descarcari electrice in medii gazoase(arcul electric, arcul si jetul de plasma ) ;

- efectul Joule dezvoltat in conductori solizi sau lichizi de curentii electrici.

2. Arcul electric la sudare

Arcul pentru sudare este o descarcare electrica stabila in mediu gazos, la o tensiune relativ mica (de la 10 la cateva sute de volti ), densitati mari de curent (zeci de A/mm²) si o lungime mica a arcului

( cativa mm pana la 1-2 cm. )

Arcul poate fi alimentat cu un curent continuu sau alternativ.

Dupa natura electrozilor arcul electric poate fi :

- cu electrod fuzibil(consumabil)

cu electrod nefuzibil

Dupa felul polaritatii :

- directa

- inversa

Dupa felul actiunii :

- cu actiune indirecta

1 = electrod

2 = material de adaos

3 = piesa de sudat

Fig. 4.3. Arcul electric cu actiune indirecta

- cu actiune directa si electrod nefuzibil

Fig. 4.4. Arcul electric cu actiune directa si electrod nefuzibil

- cu actiune directa si electrod fuzibil

Fig. 4.5. Arcul electric cu actiune directa si electrod fuzibil

Cel mai frecvent utilizat este arcul electric in curent continuu, cu actiune directa ,cu electrod fuzibil.

In functionarea arcului electric se succed trei perioade:

1) Perioada tranzitorie de amorsare a descarcarii (aprinderea arcului)

Aprinderea arcului se realizeaza prin contact metalic intre electrodul de sudura si piesa. Curentul de scurtcircuit incalzeste puternic prin efect Joule zona rezistenta provocand o topire locala, dupa care retragandu-se electrodul are loc amorsarea propriu-zisa a descarcarii .

2) Perioada arcului stationar, in care arcul arde stabil la o tensiune Ua si un curent de sudare Is, in urma atingerii unui echilibru cvasistationar al fenomenelor de ionizari recombinari, disocieri-asocieri.

Repartitia tensiunilor pe arc nu este uniforma.

Arcul are trei zone : ZK - zona catodica

ZA - zona anodica

CA - coloana arcului

1 = electrod fuzibil

2 = metal lichid

3 = piesa de sudat

Fig.4.6. Amorsarea arcului electric pentru sudare

Caderile de tensiune mari din zona anodica accelereaza electronii spre anod si ionii spre catod.

Energia cinetica acumulata de aceste particule este cedata la impactul cu reteaua cristalina a electrozilor formand pe suprafata acestora zone calde cu luminozitate si densitate de curent mare numite pete electrodice. Vom avea deci o pata catodica si o pata anodica .Temperatura petei catodice atinge 2500⁰ K la fier si 3700⁰K la wolfram. Temperatura petei anodice atinge 2600⁰K la fier si 4250⁰K la wolfram. Deci temperatura petei anodice este mai mare pentru ca prin intrarea electronilor in anod se restituie aceasta energie piesei. Cand se sudeaza cu polaritate inversa, piesa devine catod si deci incalzirea ei va fi mai mica producand o deformare mai mica a piesei.

Zk , Uk , l_k =zona catodului , tensiunea si lungimea ei

ZA , Ua , l_a =zona anodului , tensiunea si lungimea ei

CA , Uc , l_c =coloana arcului , tensiunea si lungimea ei.

Fig.4.7. Repartizarea tensiunii pe lungimea arcului

Arcul electric poate functiona stabil la valori diferite ale tensiunii Ua, curentului Is si lungimii Legatura intre aceste marimi se numeste "caracteristica statica a arcului", care de obicei se prezinta sub forma unei familii de curbe Ua=f(Is),avand Is ca parametru .

3) Perioada tranzitorie a stingerii arcului .

Stingerea arcului se face prin variatia lungimii arcului ( cand "l" creste). Conform caracteristicii statice a arcului , la cresterea lungimii ,creste tensiunea si descarcarea nu mai poate fi intretinuta.

Fig. 4.8. Caracteristica statica a arcului electric

In curent alternativ conditiile de intretinere a descarcarii in arc sunt mai grele, deoarece perioadele de aprindere, ardere si stingere se succed cu dublul frecventei tensiunii, de cate ori curentul este obligat sa-si schimbe sensul. La sudarea cu arc electric cu electrod fuzibil picaturile metalice rezultate din topirea materialului de adaos, trebuie sa treaca prin spatiul arcului pentru a ajunge in baia de sudura. Picaturile trec intotdeauna spre piesa ,chiar si atunci cand sudandu-se la pozitie, ele fac acest lucru impotriva fortelor gravitationale.

Arcul electric poate fi descoperit (in atmosfera) , in mediu protector de gaz (CO₂,Ar,He), sub strat de flux. Pentru fiecare din aceste trei situatii exista tehnologii de sudare.

2.1. Sudarea cu arc electric descoperit

Arcul electric topeste prin actiune directa o parte din metalul de baza si pe cel de adaos, formand baia comuna de metal lichid, care odata cu deplasarea electrodului cu viteza v_s in directia de sudare, se raceste formand cusatura sudata. Concomitent sub actiunea arcului invelisul electrodului se topeste partial formand o baie de zgura lichida protectoare.

Parametrii regimului de sudare manuala cu arc electric sunt:

1. - tipul electrodului

2. - diametrul electrodului

3. - Ua

4. - Is

5. - Vs - viteza de sudare

6. - "n" numarul de straturi

7. - "p" adancimea de patrundere

8. - tipul polaritatii

In cele ce urmeaza vom defini cativa dintre parametrii regimului de sudare cu arc electric.

Tensiunea arcului la sudare (U_a) - este tensiunea stabilita in timpul sudarii, tensiune care intretine arcul electric. Valoarea ei este cuprinsa intre 16 si 40 V, la un curent de 1000 A. Valoarea U_a depinde de lungimea arcului l_a.

Tensiunea de aprindere a arcului electric (U_ap) - este tensiunea la care se aprinde singur arcul electric la un electrod de diametru stabilit.

Tensiunea de aprindere necesara este :

in curent continuu 35 V;

in curent alternativ 60 - 70 V;

Curentul de scurtcircuit (I_sc) - este curentul ce se stabileste prin circuitul de sudura, tensiunea dintre electrod si piesa devenind U_a = 0.

Curentul de lucru la sudare (I_s) - este curentul ce se stabileste prin arcul electric care arde stabil la o anumita tensiune de lucru Ua si o anumita lungime a arcului.

Trecerea metalului topit prin arcul electric se face intotdeauna in sensul electrod - piesa, indiferent de polaritate.

1.Tipul electrodului se alege in functie de materialul de sudat. Compozitia chimica a electrodului trebuie sa fie cat mai apropiata de cea a materialului de baza ,ca si caracteristicile mecanice. Tipul invelisului se alege in functie de cele mentionate anterior.

2.Diametrul electrodului-d_e se stabileste in functie de grosimea materialului de sudat S si de felul imbinarii din tabelele existente in literatura de specialitate.

De exemplu pentru sudarea cap la cap.

S 1,5-2 3 4-8 9-12 13-15 16-20

de         1,6-2 3 4 4-5 5 5-6

Sudarea primului strat se face cu electrod de diametru mic (sub 4 mm) pentru a putea asigura patrunderea in spatiul ingust al rostului.

3. Ua. [2o-3o] V

De regula Ua este trecuta in pasaportul electrozilor.

4. Is reprezinta intensitatea curentului de sudare.

Is =K*de , unde k I [25,6o]

k=k(de)

de23 4 5 6

k25-3030-35 35-50 40-5545-60

5. Viteza de sudare Vs=

at= coeficient de topire al electrozilor at =8-l2 g/A ora

g = densitatea

Fi = sectiunea cordonului depus la o trecere [cm2]

6. Numarul de treceri n=+1

Fn = aria cordonului de sudura

Fi = aria unui strat de sudura

FA = (6 - 8)de

Fi= (8 - l2) de

7. Adancimea de patrundere p=( 0,3-0,5)*0,022

8. Marea majoritate a tablelor se sudeaza cu polaritate normala(cu masa la piesa).

Exceptii- electrozi bazici care au invelis gros

- electrozi din otel aliat

- la sudarea tablelor subtiri

2.. Pregatirea tablelor in vederea sudarii

Locul unde urmeaza sa fie plasata sudura trebuie pregatit tinandu-se cont de doua cerinte:

- indepartarea impuritatilor

- asigurarea spatiului cusaturii

In acest scop marginile pieselor se prelucreaza in functie de grosimea presei si forma inclinarii. Piesele pregatite se prind reciproc printr-un numar de suduri provizoriu efectuate cu electrozi de diametru mic si plasate din loc in loc de-a lungul cusaturii. Spatiul creat intre piese se numeste rost.

Forma si dimensiunile rostului sunt indicate prin STAS 6662-62.

h= inaltimea

h₁= patrunderea

b= latimea

Fig.4.9. Forma rostului de sudura

Capetele tablelor sudate se pregatesc prin diferite procedee tehnologice ( aschiere, stantare, debitare oxiacetilenica ). Forma si dimensiunile rosturilor se aleg in functie de grosimea tablelor si de natura materialului.

Conditii bune pentru formarea cusaturii se asigura atunci cand sectiunea rostului are 50-60 ^o

Fig. 4.10. Schema rostului

La grosimi mari exista pericolul scurgerii de material topit pe partea opusa a cordonului, din

care cauza baia trebuie protejata printr-un cordon de sudura pe partea opusa. Acest cordon este

tehnologic , are dimensiuni reduse si va fi inlaturat ulterior.

Pentru grosimi mici ale tablelor se foloseste forma I cu marginile rasfrante.

S1>2

S2>1

e > S1

Fig. 4.11. Tipuri de rosturi

Fig. 4.12. Sudura de colt

Fig.4.13. Sudura pe muchie

Fig.4.14. Sudura pe muchie speciala

3. Tehnologia sudarii manuale cu arc electric descoperit

Procesul tehnologic al sudarii manuale cu arc descoperit se desfasoara in urmatoarele faze:

1. Stabilirea conditiilor si a regimului de sudare.

In functie de formele si dimensiunile pieselor si de calitatea materialului de baza se aleg tipul si marimea rostului, parametrii tehnologici ai regimului de sudare, felul electrodului si al invelisului.

Latimea cusaturii creste cu cresterea tensiunii si ramane practic constanta la cresterea curentului si scade mult cu cresterea vitezei de sudare.

Adancimea de patrundere si suprainaltarea cresc cu intensitatea curentului si scad cu tensiunea si

viteza de sudare.

2. Pregatirea pieselor pentru sudare

Locul unde urmeaza sa fie plasata sudura trebuie pregatit tinandu-se cont de doua cerinte:

indepartarea oxizilor si impuritatilor ;

asigurarea spatiului cusaturii in functie de cantitatea de metal topit. In acest scop marginile pieselor se prelucreaza prin taiere cu flacara sau prin aschiere. Piesele pregatite se prind in puncte de sudura

( hafturi ).

3. Executarea sudurii

Rostul de sudura se considera pregatit si sudura se poate executa atunci cand a fost reglata sursa, regimul de lucru ales si piesa cuplata la sursa prin cleme.

Se amorseaza arcul in vecinatatea rostului. Electrodul se tine inclinat in raport cu normala la cusatura la 15 - 30^o in directia si sensul de sudare. Prin unghiul de inclinare se poate actiona asupra adancimii de patrundere si vitezei de racire a baii.

Arcul se mentine scurt la o lungime egala cu "de". Miscarea electrodului este o combinatie intre :

- o miscare de - a lungul axei electrodului pentru compensarea consumului electrodului ;

- o miscare in lungul axei sudurii pentru realizarea avansului

- o miscare pendulara perpendiculara pe directia sudurii pentru incalzirea marginilor rostului.

Miscarea pendulara poate avea diferite traiectorii in functie de grosimea piesei, a electrodului,

forma rostului, pozitia sudurii.

a = pentru suduri normale

b = pentru incalzirea suplimentara a ambelor piese ( grosimi mari )

c = pentru incalzirea suplimentara a unei piese

d = pentru sudarea in cornisa

e = pentru sudarea pe plafon

Fig. 4.15. Traiectorii de miscari pendulare ale electrodului

O cusatura poate fi formata din unul sau mai multe randuri. Prin rand se intelege metalul depus la o singura trecere. El nu poate fi mai gros de dublul diametrului electrodului.

Fig.4.16. Ordinea de depunere a randurilor intr-o cusatura

Modul de executie al unui rand este in functie de lungimea cusaturii. Pentru evitarea deformatiilor cusatura se realizeaza pe segmente.

a - in rand continuu

b - de la centru la margini

c - in pas de pelerin

Din punct de vedere al continuitatii cordoanelor de sudura, acestea se clasifica in:

cusaturi continui, cand lungimea cusaturii propriu-zise este egala cu cea a imbinarii sudate, neexistand discontinuitati;

cusaturi discontinui, imbinarea realizandu-se din mai multe segmente, fiecare dintre acestea avand o lungime de cateva ori mai mare decat grosimea pieselor componente. Cusaturile discontinui pot fi prin puncte sau segmente.

Conditia de cusatura continua sau discontinua rezulta din cea de dimensionare la rezistenta a imbinarii sudate.

Straturile se pot depune in mai multe randuri si anume

l) consecutiv si pe intreaga lungime a cusaturii

2) in cascada

3) in trepte

Fig.4.17. Ordinea de depunere a portiunilor in straturi suprapuse

La sudarea straturilor suprapuse portiunile sudate succesiv se alterneaza intr-un edificiu "zidit"

cu sensuri de sudare diferite.

Ordinea de depunere a randurilor si a straturilor, ca si modul de executare a sudurilor intr-un rand are ca scop reducerea deformatiilor pieselor sudate datorita efectului termic. Aceasta conduce la cresterea preciziei de executie a constructiei sudate si la micsorarea adaosurilor de prelucrare.

Fig.4.18. Modul de executare a sudurii intr-un rand la diferite lungimi

a = consecutiv si pe intreaga lungime a cusaturii; b = in cascada; c = in trepte.

Fig.4.19. Moduri de dispunere a straturilor

4. Lucrari de completare la sudura

Aceste lucrari constau din :

- curatirea cordonului de stropi si zgura

- indepartarea suprainaltarii prin aschiere, din motive functionale sau estetice

- rectificarea zonei de trecere intre metalul de baza si fata sudurii la piesele supuse la solicitari de obosela

- detensionarea termica sau prin vibratii

control tehnic de calitate - vizual sau nedestructiv

5. Sudura manuala cu electrozi de carbune

Aceasta varianta se practica cu sau fara material de adaos, cu unul sau 2 electrozi de carbune.

Arcul arde stabil din cauza temperaturii mari a petelor electrodice pe grafit. Electrodul este fuzibil. Lungimea arcului poate atinge 3o-5o mm la sudarea cu un electrod si 100-150 mm la sudarea cu doi electrozi. Procedeul se aplica acolo unde sudarea manuala cu electrod fuzibil este dificila (metale usor fuzibile cu pereti subtiri) si la inlaturarea cordoanelor de sudura sau a materialului de baza topit prin suflare cu aer comprimat. In acest caz electrodul de carbune este cuplat cu un jet de aer comprimat.

6. Consideratii tehnologice

In tehnica sudarii manuale cu arc electric si electrozi inveliti este foarte important sa se acorde

o mare importanta miscarii electrodului. Aceste miscari sunt in functie de pozitia de sudare, forma rostului, tipul imbinarii, grosimea pieselor. Randurile pot fi trase sau pendulate. La randurile trase electrodul executa o miscare de deplasare in linie dreapta cu o viteza constanta. Randul are latimea de 1 - 2 ori diametrul electrodului si o lungime de 0,8l,5 ori lungimea electrodului.

Miscarea electrodului este continua dar se pot realiza si intoarceri in sens invers directiei de sudare pentru a preveni scurgerea baii de metal topit. Datorita latimii mici randul este denumit ingust. Electrodul se inclina cu un unghi de 6070 fata de planul cusaturii si spre directia de sudare. Cantitatea de metal depusa este mica, solidificarea se face repede si raman gaze dizolvate in cusatura. Metalul depus are valori ridicate ale rezilientei. Randurile astfel depuse la radacina se inlatura dupa terminarea sudurii dupa care se sudeaza din nou. Inlaturarea se poate face prin polizare sau cu arc-aer. Neinlaturarea totala a acestui strat sau depunerea unui strat necorespunzator constituie defecte care se pot pune in evidenta prin gamagrafiere.

La randurile pendulate se obtin latimi de 34 ori diametrul electrodului cu o lungime de 0,30,5 ori lungimea electrodului. Miscarea de pendulare are ca scop reducerea vitezei de solidificare a baii. Cordonul de sudura astfel depus are caracteristici mecanice foarte bune. Unghiul de inclinare al electrodului este de 20 - 45^o fata de planul perpendicular pe imbinare. Inclinarea electrodului in planul cusaturii realizeaza suflarea materiilor arse si a zgurii la suprafata. Sudarea cap la cap intr-un strat se executa cu electrozi cu patrundere adanca (pulbere de fier in invelis) si cu Is maxim. Miscarea de pendulare este indispensabila.

Sudarea orizontala in plan vertical (in cornisa) se realizeaza in urmatoarea succesiune a straturilor.

7. Sudarea tablelor si profilelor subtiri

Se considera subtiri tablele si profilele cu grosimea mai mica de 3 mm. Pot aparea strapungeri si deformatii. De aceea la sudarea in curent continuu se recomanda polaritate inversa. Vitezele de sudare trebuie sa fie mari.

Electrozii folositi au l,6 ; 2 ; 2,5 mm si L= 350 mm.

Pentru o amorsare usoara Vagol = 60 V.

La sudura in curent alternativ Uag =75 V.

Tablele de grosimi sub l mm se sudeaza prin suprapunerea pe o garnitura (suport) de cupru sau otel. Garnitura de otel ramane inglobata in ansamblul realizat. La sudarea tablelor cu margini rasfrante se poate suda cu electrod de carbune fara material de adaos. Pentru o buna formare a radacinii se folosesc garnituri de cupru. Electrozii folositi au invelis rutilic.

8. Sudarea tablelor si profilelor groase

Sudarea tablelor cu o grosime de peste 6 mm se realizeaza in mod obligatoriu cu rostul prelucrat. Cresterea grosimii tablelor, privita ca factor constructiv influenteaza negativ sudabilitatea. In general sudarea tablelor cu grosimi pana la 25 mm nu ridica probleme deosebite. Grosimile mari favorizeaza o disipare rapida a caldurii, de multe ori sudarea lor necesitand preincalzire. Pe masura executarii randurilor de sudura temperatura creste, de unde si necesitatea opririi sudurii si racirii naturale pana la 200^o C. Caldura redata de stratul executat produce o structura de normalizare stratului anterior solidificat. Forma rostului poate fi X, V, I, U. Randul de la radacina este tras. Celelalte sunt pendulate si pentru a preintampina pericolul fisurarilor se recomanda sudarea orizontala sau in jgheab. Radacina se craituieste cu arc-aer apoi se resudeaza. Structurile sudate din table groase sunt rigide, deformatiile sunt reduse dar campul de tensiuni remanente este intens. Sudura in pas de pelerin se aplica pana la grosimi de l5 mm. Peste l5 mm grosime se foloseste sudarea in cascade cu primul rand de 100300 mm si celelalte decalate.

Un rand depus realizeaza preincalzirea urmatorului. Cusaturile fiind lungi se executa de la mijloc catre capete cu 2 sudori. La executarea sudurilor verticale se lucreaza cu 2 sudori de o parte si de alta a rostului. Sectiunea randului de sudura nu va depasi 3 de. Randurile de suprafata pot avea o , latime de 6de pentru aspect estetic.