arcul electric la sudare

Upload: cmoglan

Post on 06-Apr-2018

293 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

  • 8/3/2019 Arcul Electric La Sudare

    1/21

    IMST - INGINERIA SI MANAGEMENTUL SISTEMELOR

    TEHNOLOGICE

    Master IMPSC IMSc

  • 8/3/2019 Arcul Electric La Sudare

    2/21

  • 8/3/2019 Arcul Electric La Sudare

    3/21

    VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST

    1.1. Zonele caracteristice ale arcului electric

    Experimental, s-a constatat ca, de indata ce curentul prin arcul electric

    depaseste o anumita valoare relativa mica, caderea de potential in lungul

    arcului se repartizeaza intr-un mod neuniform caracteristic, prezentat

    schematic in figura 1, in care 1 reprezinta electrodul pozitiv (anod), iar 2

    electrodul negativ (catod).

    Curentul electric prin arc a fost notat cu l, U semnifica diferenta de

    potential dintre electrozi, iar Ua tensiunea arcului.

    In imediatata vecinatate a anodului, se inregistreaza pe o distanta

    foarte scurta (la) in zona anodica, o cadere de tensiune (Ua) denumita cadere

    de tensiune anodica. Urmeaza o zona mult mai extinsa de lungime coloana

    arcului, pe care se manifesta o cadere de tensiune (Uc) caderea de tensiune

    pe coloana.

    Potentialul variind dupa o dreapta pe lungimea coloanei, inseamna ca

    pe aceasta portiune intensitatea campului electric (E) este constant.

    Uk

    Uc

    21

    l

    lklcla

    U

    Ua

    I E

  • 8/3/2019 Arcul Electric La Sudare

    4/21

    VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST

    In imediata vecinatate a catodului, pe o distanta foarte scurta (lk)

    zona catodica, se inregistreaza o importanta cadere de tensiune (Uk) cadere

    de tensiune catodica.

    Mentionam cateva valori uzuale:

    Ua = 2 3 V;

    Uk > Ua, Uk= 10 20 V;

    Uc depinde de lungimea arcului;

    la = 10-4cm;

    lk = 10-5-10-3 cm

    lc = 10-1 -100 cm

    Datorita faptului ca lk + la este foarte mica in raport cu (lc), se poate

    considera ca (lc) este egala cu lungimea arcului, (l) fiind aproximativ egal cu

    distanta dintre electrozi.

    O asemenea reprezentare a tensiunii evidentiaza existenta unor

    procese diferentiate caracteristice in cele trei zone (catodica, anodica,

    coloana).

    La arcuri suficient de lungi ca cele de la sudare, procesele dintr-o zona

    influenteaza putin in mod direct procesele din zona alaturata asa ca ele pot fi

    analizate separat.

  • 8/3/2019 Arcul Electric La Sudare

    5/21

    VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST

    1.2. Procese in coloana arcului

    In conditiile unui arc electric arzand, ionizarea in coloana este posibila

    fie ca urmare a ciocnirii particulelor fie prin fotoionizare (introducere de

    cuante de energie prin fotoni efect neglijabil la sudare).

    Concomitent cu ionizarea au loc si procese inverse, de deionizare, prin

    unirea anumitor ioni pozitivi cu electronii intalniti.

    In conditii de echilibru, numarul ionilor produsi in unitatea de timp

    este egal cu numarul celor neutralizati in unitatea de timp. Electronii liberi

    aflati sub influenta campului electric (E) sunt accelerati progresiv,

    dobandind o energie din ce in ce mai mare pe masura cresterii vitezei lor.

    Din ciocnirea electronilor accelerati pana la diferite viteze si

    moleculele gazului prezent pot sa rezulte:

    - disocierea in forma atomica a gazelor moleculare;

    - excitarea, adica trecerea unui electron de pe o orbita cu energie

    inferioara pe o orbita cu energie mai mare;

    - ionizarea, adica smulgerea unui electron de pe orbita, ce devine astfel

    liber. Ionizarea este deci un caz limita al excitarii, cand electronul

    dobandeste o energie mai mare decat aceea corespunzatoare nivelului

    de excitare maximum posibil.

    Energia ce trebuie transferata electronului pentru a-l desprinde de

    atom (pentru a efectua ionizarea) se masoara in V si se numeste

    potential de ionizare (Ui).

  • 8/3/2019 Arcul Electric La Sudare

    6/21

    VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST

    1.3. Procese in zona catodica

    Zona catodica cat si zona anodica sunt zone de tranzitie deoarece din

    punct de vedere electric asistam la trecerea din conductorul metalic, unde

    curentul este exclusiv electronic, la un conductor gazos unde curentul este

    atat electronic, cat si ionic.

    Din punct de vedere termic, asistam la trecerea de la un electrod

    relativ rece in plasma mult mai calda.

    In zona catodica procesul de baza este emiterea de electroni deoarece

    cu ajutorul acestor electroni accelerati in campul electric existent se

    realizeaza procesul de ionizare in coloana.

    Se cunosc urmatoarele tipuri de emisie electronica:

    - emisie termoelectronica, specifica electrozilor nefuzibili care se

    incalzesc intens;

    - emisie autoelectronica, specifica electrozilor fuzibili;

    - emisie fotoelectronica stimulata prin incidenta unei radiatii;

    - emisie secundara produsa prin bombardarea catodului de particule

    grele (atom, ioni) sau chiar fascicol de electroni.

  • 8/3/2019 Arcul Electric La Sudare

    7/21

    VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST

    1.4. Forme particulare ale arcului electric, functie de materialul

    catodului

    In functie de materialul catodului se deosebesc doua forme particulare

    ale arcului, si anume:

    - arc cu electrod refractar (figura 2, a cu pata catodica, b fara pata

    catodica);

    - arc cu electrod fuzibil.

    Arc cu electrod refractar

    Forma particulara a arcului electric in acest caz este prezentata in

    figura 2, in care: 1 - este contact electric prin intermediul caruia se realizeaza

    trecerea curentului la electrodul de wolfram; totodata el asigura si racirea

    electrodului care este cu atat mai intensa cu cat este mai mica lungimea

    libera, 2 lungimea arcului, 3 pata catodica, 4 material in stare lichida

    sau pastoasa, 5 aureola luminoasa a arcului.

    Cazul din figura a), arc cu pata catodica, se intalneste mai ales la

    curenti de sudare mici, o racire intensa a catodului si la un catod ascutit. Se

    realizeaza o coloana stransa a catodului, instaurandu-se o densitate de curent

    mare 105 A/cm2. Rolul preponderent il are in acest caz emisia

    autoelectronica in pete.

    Situatia din figura b), arc fara pata catodica apare la curenti de sudare

    mari, la o racire slaba a catodului si la un catod rotunjit. Odata cu marirea

    curentului coloana arcului isi mareste diametrul, ajungandu-se la o scadere

    de 10-100 ori a densitatii de curent in jur de 103 A/cm2, disparand pata

    catodica distincta. In asemenea conditii creste temperatura catodului astfel

    incat rolul preponderent il dobandeste emisia termoelectronica.

  • 8/3/2019 Arcul Electric La Sudare

    8/21

    VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST

    Caracteristica statica a arcului electric

    Reprezinta dependinta functionala a tensiunii arcului in functie de

    curentul de sudare la o valoare constanta a lungimii arcului.

    Arc cu catod fuzibil

    Catodul este realizat din material relativ usor fuzibil, de exemplu

    aliaje de Fe; rezulta ca temperatura electrodului este sensibil mai mica decat

    la electrodul refractar, vorbindu-se in acest caz despre un arc cu catod rece.

    Caracteristicile acestui tip de arc sunt urmatoarele:

    - se realizeaza densitati de curent foarte mari in pata, in jur de 106 107

    A/cm2;

    - pot coexista mai multe pete catodice;

    - se inregistreaza o miscare a arcului pe suprafata catodica;

    - suprafata catodului se evapora intens;

    - caderea de tensiune catodica este mai mare decat in cazul electronilor

    refractari

    Influenta campului magnetic

    Atat pata catodica cat si arcul pot fi deplasate sub influenta unui camp

    magnetic exterior.

    Cateodata, la arcul cu catod rece poate sa apara si o miscare pe

    directia contrara acestei forte.

    Campul magnetic neuniform din zona petei, probabil si din alte cauze,

    determina prin fortele ce intervin in cazul arcului cu catod rece, o migrare

    haotica a petei si chiar o divizare a acesteia.

    Acest complex de fenomene este denumit criza a petei catodice. Drept

    urmare a acestor crize, se considera ca arcul cu catod rece are o instabilitate

    inferioara.

  • 8/3/2019 Arcul Electric La Sudare

    9/21

    VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST

    1.5. Zona anodica

    In toate cazurile anodul nu emite ioni pozitivi.

    Aceasta inseamna ca in zona anodica curentul este pur electronic.

    Surplusul de electroni care se acumuleaza in zona catodica da nastere

    unui camp electric suplimentar, aparand astfel caderea de tensiune anodica.

    Aceasta cadere de tensiune poate fi calculata pe baza energiei necesare

    pentru crearea de ioni pozitivi in zona anodica.

  • 8/3/2019 Arcul Electric La Sudare

    10/21

    VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST

    1.6. Interactiunea arc electric camp magnetic

    In figura a) este prezentata situatia in care electrodul si legatura la

    masa sunt coaxiale. Curentul prin coloana I1 da nastere unui camp magnetic

    de inductie B1. Curentul prin piesa I2 da nastere unui camp magnetic de

    inductie B2. Distributia spatiala a acestora, face ca forta electromagnetica F1

    sa fie egala cu forta electromagnetica F2, astfel incat coloana arcului electric

    e mentinuta verticala.

    1

    F1=F2

    F2 F1I1

    I22

    a)

    B1

    B2

  • 8/3/2019 Arcul Electric La Sudare

    11/21

    VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST

    In figurile b) si c) masa electrodului nu este coaxiala cu electrodul. Ia

    nastere un curent prin pies I2, ce determina un camp magnetic B2 care

    compunandu-se cu campul magnetic determinat de curentul prin coloan

    face ca intensitatile campului magnetic sa fie diferite, rezultand forte

    electromagnetice diferite ce actioneaza de o parte si de alta a coloanei,

    coloana arcului fiind deviata in partea opusa punctului de legare la masa.

    1

    F2>F1

    F2 F1I1

    I2 2

    b)

    B1

    B2

    1

    F1>F2

    F2 F1I1

    I2 2

    c)

    B1

    B23

  • 8/3/2019 Arcul Electric La Sudare

    12/21

    VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST

    In figura d) este prezentat cazul sudarii langa o masa feromagnetica 4.

    Datorita permeabilitatii magnetice mai mari, a fierului fata de aer, campul

    magnetic ce va inchide prin masa feromagnetica si coloana arcului va fi

    deviata spre aceasta. Se obtine astfel o abatere a cusaturii fata de axa

    cusaturii prevazute.

    In figura e) este prezentata situatia sudarii intr-un rost adanc, cand

    coloana arcului e deviata catre marginile rostului putand rezulta defectul

    nepatrundere la radacina.

    3

    1

    2

    d)

    Fe

    4

    2e)

    11

    2

  • 8/3/2019 Arcul Electric La Sudare

    13/21

    VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST

    In figura f) este prezentata situatia sudarii cu arce gemene in care

    electrozii sunt alimentati de la aceeasi sursa de curent. Campurile magnetice

    de inductie B1 si B2, generate de cei 2 curenti se insumeaza si intensitatea

    campului rezultant e mai mica intre cele doua arce; coloanele arcelor

    apropiindu-se, se obtine astfel o adancime de patrundere mai mare si o

    micsoarare a latimii cusaturii.

    1

    I1B1

    1

    I2

    2

    f)

    B2

    3 3

  • 8/3/2019 Arcul Electric La Sudare

    14/21

    VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST

    In figura g) este prezentata situatia alimentarii celor doua arce de la

    surse diferite, rezultand o indepartare a coloanelor celor doua arce, o

    micsorare a adancimii de patrundere si o marire a latimii cusaturii, situatie

    folosita indeosebi la placare.

    De mentionat faptul ca la sudarea in curent alternativ aceste fenomene

    cunoscute sub numele de suflaj magnetic sunt mult mai putin intense. Ca

    atare, suflajul magnetic rezultat ca arc electric camp magnetic prezinta ingeneral efecte nefavorabile, care trebuiesc cunoscute si contracarate prin

    masuri adecvate.

    1

    I2

    1

    I1

    2

    g)

    3 3

  • 8/3/2019 Arcul Electric La Sudare

    15/21

    VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST

    1.6.1. Interactiunea arc electric camp magnetic creat de

    electromagneti exteriori

    In figura a) este prezentata pendularea longitudinala:

    1 material de baza

    2 cusatura solidificata

    3 baie de metal lichid

    J densitate de curent

    P1, P1 poli ai unui electromagnet alimentat cu o tensiune

    alternativa si frecventa variabila

    Vs viteza de sudare

    B1, B2 inductie variabila la alternanta tensiunii de alimentare

    F1, f2 forte electromagnetice ce actioneaza asupra coloanei

    B2

    P1 P1

    F1

    F2vs

    B1

  • 8/3/2019 Arcul Electric La Sudare

    16/21

    VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST

    In situatia in care este valabila inductia B1 asupra coloanei aerului

    actioneaza forta electromagnetica F1, care penduleaza spre inainte coloana

    arcului, ceea ce are ca efect o preincalzire locala a materialului de baza.

    Rezultatele acestei interactiuni le constituie pe de o parte preincalzirea

    materialului, ce are ca efect micsorarea vitezei racite, si o amestecare mai

    buna a metalului baii rezultand o granulatie mai fina si o rezistenta mai mare

    fata de fisurarea la cald.

    In figura b) este prezentata situatia in care cei doi electromagneti P1 si

    P1 sunt montati coaxial cu directia de deplasare a arcului, situatie in care

    fortele electromagnetice rezultante deplaseaza transversal coloana arcului,

    adica determinand pendularea transversala a acesuia.

    Nu se mai realizeaza o preincalzire a materialului, dar se realizeaza o

    marire a latimii cusaturii si o amestecare mai buna a metalului baii cu

    consecintele aratate anterior.

    JB2

    P1

    P1

    F1 F2

    vs

    B1

    3

    21

  • 8/3/2019 Arcul Electric La Sudare

    17/21

    VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST

    In figura c) este prezentata situatia in care coaxial cu electrodul se

    monteaza o bobina (4), un electromagnet, care determina aparitia unei

    inductii cre determina asa numita pulsare axiala a baii de metal lichid care

    ocupa succesiv pozitiile 6 si 7. Componenta radiala a inductiei imprima

    purtatorilor de sarcina si chiar purtatorilor de metal o traiectorie elicoidala

    care determina o traiectorie mai buna, ceea ce are ca efect o micsorare a

    granulatiei si o tendinta de reducere a fisuratiei la cald.

    In toate cazurile prezentate, amplitudinea pendularii este determinata

    de valoarea tensiunii de alimentare a electromagnetilor, iar frecventa de

    pendulare e determinata de frecventa tensiunii alternative cu care se

    alimenteaza electromagnetii.

    Avantajul notabil al acestor metode de pendulare il constituie lipsa

    maselor in miscare si posibilitatea conducerii coloanei arcului dupa

    traiectorii complexe si la frecvente si amplitudini variabile.

    1

    2

    3

    4

    5

    67

    I

  • 8/3/2019 Arcul Electric La Sudare

    18/21

    VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST

    2. Arc electric constrans (jet de plasma)

    De-a lungul timpului, s-a pus accent deosebit pe metodele de crestere

    a temperaturii arcului electric prin constrangerea fortata a coloanei arcului,

    realizata in arzatorul de plasma.

    Temperatura coloanei arcului electric deschis, acoperit sau protejat

    ajunge la 6000-8000 oC. Cu ajutorul arzatoarelor de plasma se poate ajunge

    temperatura pana la 30.000 oC si mai mult.

    Constrangerea arcului poate fi realizata pe mai multe cai. Metoda cea

    mai raspandita consta in limitarea diametrului coloanei arcului printr-un

    ajutaj special.

    Pentru cresterea temperaturii este necesar sa se asigure cresterea

    puterii intr-un volum constant al arcului electric, ceea ce se obtine prin

    folosirea arcului constrans. Transferul de caldura este de ordinul a 104-105

    W/cm2 suficient pentru a topi aproape orice corp solid, comparativ cu flacara

    oxiacetilenica care este de ordinul 102-103 W/cm2.

    Se poate observa in figura cum arcul electric constrans arde intre un

    electrod central de wolfram 1, legat la polul negativ, si un ajutaj 2, legat la

    polul pozitiv racit cu apa.

  • 8/3/2019 Arcul Electric La Sudare

    19/21

    VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST

    Gazul protector (plasmagen), care se trimite in arzator, iesind din

    ajutaj, constrange suplimentar coloana arcului, izolandu-l de peretii

    ajutajului si elimina gazele incalzite pana la temperaturi inalte adica plasma

    in afara arzatorului. Pentru ca ajutajul sa nu se topeasca, el se executa dintr-

    un material cu o conductibilitate termica ridicata (indeosebi din cupru) si

    este racit cu apa.

    Gazul se incalzeste la temperatura inalta, se ionizeaza, se dilata mult siiese din ajutaj sub forma unul jet de plasma stralucitor si foarte cald, care se

    foloseste in diferite scopuri tehnologice, precum sudare, taiere.

    Unul din multiplele avantaje de mare importanta ale acestui arc este

    posibilitatea larga de alegere a regimului de lucru in comparatie cu

    procedeele obisnuite de lucru cu arc electric.

    Pentru crearea jetului cu inalta temperatura, la sudarea cu electrod de

    wolfram se folosesc gazele argon, heliu; uneori se utilizeaza amestecul

    acestor gaze cu hidrogen si azot. Adaugarea hidrogenului ridica brusc

    tensiunea arcului si tensiunea lui de aprindere, ceea ce duce la necesitatea

  • 8/3/2019 Arcul Electric La Sudare

    20/21

    VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST

    ridicarii tensiunii de mers in gol a surselor de alimentare cu curent (200

    400 V).

    Deosebirea pe care o are caracteristica statica a arcului constrans fata

    de arcul ce arde liber nu necesita proprietati speciale de la sursele de

    alimentare cu curent, insa tensiunea lor de mers in gol este mult mai mare.

    Se folosesc mai ales sursele de alimentare cu caracteristicile externe

    brusc coboratoare, pentru ca variatia spatiului arcului de lucru ale arzatorului

    propriu sa nu se modifice.

    In figura este reprezentata schema electrica de principiu pentru legarea

    unul arzator de plasma: 1 convertizor de curent continuu; 2 generator de

    inalta frecventa; 3 electrod de wolfram, 4 argon + hidrogen; 5 ajutaj

    racit cu apa; 6 piesa

    Se deosebesc 2 forme de jet de plasma: un jet care se suprapune cu

    coloana arcului si al doilea jet care se degaja in primul. In primul caz, arcul

    arde intr-un canal ingust intre electrodul de wolfram (catod) si piesa (anod)

    si se numeste arc direct sau transferat; in al doilea caz, arcul arde intre

    electrodul de wolfram si ajutaj (anod) si se numeste arc pilot de plasma.

  • 8/3/2019 Arcul Electric La Sudare

    21/21

    VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST

    Bibliografie

    Bazele Proceselor de Sudare V. Miclosi, Gh. Solomon, Bucuresti,

    1993

    Utilajele sudarii electrice Vl. Popovici, A. Ivancenco, Bucuresti,

    1968