MIHAEL CHIRCOR

REMUS ZAGAN GRETI CHIŢU

ELEMENTE FUNDAMENTALE DE

TEHNOLOGIA MATERIALELOR

EDITURA EX PONTO CONSTANŢA 2005

PREFAŢĂ

Lucrarea de faţã se adreseazã în special studenţilor Facultãţii de Inginerie Mecanicã a Universitãţii Ovidius Constanţa ca şi altor studenţi de la secţiile similare ale altor universitãţi. În cadrul fiecãrei metode si procedeu tehnologic au fost luate în discuţie urmãtoarele aspecte :

bazele teroretice (fenomenele care stau la baza tehnologiei respective, legi specifice, interpretarea teoreticã a fenomenelor si legilor);

dimensiunea materialã (utilaje, dispozitive, scule necesare obţinerii produsului finit prin procedeul tehnologic respectiv);

dimensiunea normativã (succesiunea operaţiilor, reţetelor de fabricaţie, parametrii optimi).

Autorii au avut intenţia de a da lucrãrii, care s-a vrut a avea un pronunţat caracter didactic, mai mult un caracter formativ decât informativ. Nu am urmãrit originaliatea, ci coerenţa şi calitatea, motiv pentru care am consultata cele mai reprezentative lucrãri în domeniu, preluând din acestea tot ceea ce ni s-a pãrut mai valoros. De aceea din lucrare lipsesc o seamã de informaţii, de genul tabelelor de parametrii, nomograme, care se pot gãsi cu usurinţã în orice alt manual de specialitate. Cu toate acestea lucrarea se adreaseazã în egalã masurã si inginerilor sau altor cadre tehnice care lucreazã în producţie sau proiectare.

AUTORII

3

CAPITOLUL 1 NOTIUNI INTRODUCTIVE

1.1.Tehnologia - definiţii

La baza oricãrei discipline ştiinţifice stã un set de noţiuni judicios stabilite, care servesc drept “cãrãmizi” de construcţie a întregului sistem. De regulã, aceste noţiuni sunt legate între ele şi de noţiunile ştiinţelor fundamentale. Definirea precisã a noţiunilor cu care urmeazã sã operãm este extrem de importantã, indiferent de domeniul pe care urmeazã sã-l abordãm, deoarece trebuie sã ştim exact la ce ne referim/raportãm, pentru a evita orice confuzie. Definiţia 1. Tehnologie = ştiinţa care se ocupă cu studiul, elaborarea şi determinarea proceselor, metodelor şi procedeelor de prelucrare a materialelor. Ca ştiinţă “tehnologia” s-a dezvoltat pe baza şi în strânsă legatură cu alte ştiinte şi discipline: matematica, fizica, chimia, electrotehnica, mecanica, metalurgia, ştiinţa materialelor, etc. In funcţie de materialul care se prelucrează, se deosebesc diverse tehnologii cum ar fi: - tehnologia elaborării metalelor; - tehnologia construcţiilor de maşini; - tehnologia produselor alimentare; - etc. Definiţia 2 . Tehnologie = ansamblu de procese, metode, procedee, reguli, operaţii, faze care se desfăşoară în scopul obţinerii (fabricării) unui anumit produs (piesã, organ de maşină, subansamblu, etc.). Tehnologia fabricării produselor impune în mod obligatoriu executarea operaţiilor într-o succesiune bine determinată şi prestabilită. Prin aceasta, până la transformarea în produse finite, materiile prime, materialele şi semifabricatele trec printr-o serie de schimbări ale formei şi dimensiunilor, ale compoziţiei chimice şi proprietăţilor fizico-mecanice, ale aspectului exterior, al poziţiilor reciproce a suprafeţelor, ale structurii. Definiţia 3. Tehnologia se referă la aplicarea practică a cunoaşterii prin intermediul tehnicilor utilizate în activităţile productive (ca ansamblu de instrumente, metode şi norme). Tehnologia este o ştiinţă care studiază transformările la care este supusă substanţa în procesele tehnologice de lucru şi le aplică în vederea obţinerii produselor.

Tehnologia este ştiinţa care studiază toate transformările la care este supusă substanţa în procesele tehnologice de lucru şi modalităţile prin care

13

conducem aceste transformări în vederea obţinerii produselor, în condiţii tehnico-economice optime. Tehnologia este o ştiinţă aplicativă. Ea nu rezolvă problema realizării unui singur produs, ci a obţinerii de producţii industriale. Tehnolgia aplică legile celorlalte ştiinţe. Tehnologia utilizează legile fizicii, chimiei, ale altor ştiinţe, precum şi legi proprii. Tehnologia are trei dimensiuni:

1- Dimensiunea materială = care se referă la ansamblul uneltelor, instalaţiilor, maşinilor, materialelor, sculelor şi dispozitivelor utilizate în activitatea productivă;

2- Dimensiunea normativă = care cuprinde normele de utilizare a dimensiuii materiale şi reţelele de organizare a producţiei asociate unei tehnologii;

3- Dimensiunea socială = reprezentată de suma de abilităţi şi comportamente individuale şi colective, ca şi de normele sociale generate de utilizarea unei anumite tehnologii;

Din punct de vedere al fenomenelor ştiinţifice care stau la baza principiului fizic al metodei tehnologice, tehnologiile se împart în două mari categorii:

1. Tehnologii clasice (convenţionale); 2. Tehnologii neconvenţionale; Tehnologii neconvenţionale sau electrotehnologiile s-au dezvoltat rapid în

ultimele două decenii ca urmare a unor cerinţe ale industriei. Dezvoltarea şi răspândirea lor se datorează şi apariţiei unor noi materiale foarte greu sau imposibil de prelucrat folosind tehnologiile clasice. De asemeni exploatarea spaţiului cosmic şi cursa înarmărilor au constituit factorii motrici ai apariţiei şi răspândirii tehnologiilor neconvenţionale. Marea majoritate a procedeelor şi metodelor de prelucrare neconvenţională au la bază, transformarea energiei electrice într-o altã formă: energie calorică, luminoasă, mecanică. Această nouă formă de energie este utilizată apoi pentru prelucrarea materialelor. Procedeele tehnologice clasice nu pot fi înlocuite prin cele neconvenţionale. Dimpotrivă, electrotehnologiile sunt o completare a tehnologiilor clasice, care rămân cu ponderea cea mai mare în construcţia de maşini. Asimilarea de către industrie de noi metode de prelucrare este legată direct de preţul de cost, productivitatea şi timpul de amortizare al investiţiei.

14

Prin automatizare, robotizare şi computerizare o tehnologie clasică nu poate trece în sfera neconvenţionalului, deoarece principiile fizice care stau la baza metodei tehnologice respective rămân aceleaşi. Toate aceste considerente, împreună cu cele economice care joacă un rol decisiv, fac ca importanţa şi dimensiunile tehnologiilor clasice să rămână neştirbite. De aici derivã şi spaţiul considerabil pe care-l vom aloca studiului tehnologiilor clasice (de exemplu în Japonia existau în 1980 10% maşini pentru prelucrări neconvenţionale). Vom defini în cele ce urmeazã unele noţiuni fundamentale cu ajutorul cãrora vom explicita principalele noţiuni ale tehnologiei. ISO 9000 defineşte urmãtoarele noţiuni: Necesitate – nevoie sau dorinţã resimţitã de cãtre un utilizator. Cerinţã – nevoie sau aşteptare care este declaratã, în general implicitã sau obligatorie. Satisfacţie a clientului – percepţie a clientului despre mãsura în care cerinţele sale au fost îndeplinite. Management – activitãţi coordinate pentru a orienta şi controla o organizaţie. Sistem de management – sitem prin care se stabilesc politica şi obiectivele şi prin care se îndeplinesc acele obiective. Organizaţie – grup de persoane şi facilitãţi cu un ansamblu de responsabilitãţi, autoritãţi şi relaţii determinate. Eficienţã – relaţie între rezultatul obţinut şi resursele utilizate. Structurã organizatoricã – ansamblu de responsabilitãţi, autoritãţi şi relaţii dintre persoane. Infrastructurã – sistem de faciltãţi, echipamente şi servicii necesare pentru funcţionarea unei organizaţii. Mediu de lucru – ansambli de condiţii în care se desfãşoarã activitatea. Proces – ansamblu de activitãti corelate sau în interacţiune care transformã intrãrile în ieşiri. Produs – rezultatul unui proces. Proiect – proces unic care constã dintr-un ansamblu de activitãţi coordinate şi controlate, cu data de început şi de finalizare, întreprins pentru realizarea unui obiectiv conform cerinţelor specifice şi care include constrângeri referitoare la timp, costuri şi resurse. Procedurã – mod specific de desfãşurare a unei actrivitãţi sau a unui proces. Caracteristicã – trãsãturã distinctive.

15

Informaţie – date semnificative. Document – informaţie împreunã cu mediul sãu suport. Încercare – determinare a uneia sau a mai multor caracteristici în conformitate cu o procedurã. Analizã – activitate de determinare a potrivirii, adecvanţei şi eficienţei în ceea ce priveşte îndeplinirea obiectivelor stabilite. Client – organizaţie sau persoanã care primeşte un produs. Prin proces (procedeu) înţelegem un ansamblu de mijloace şi de activitãţi coerente care transformã elementele de intrare în elemente de ieşire. Intrãri Ieşiri

PROCES Orice activitate umanã conştientã este realizatã printr-un proces. Fiecare proces are elemente de intrare sub forma unor fluxuri de materiale, utilaje, scule, dispozitive, resurse umane, energie, know-how. Ieşirile din sistem pot fi produse, servicii, programe de calcul, etc. Procesul este o activitate de-a lungul cãreia elementele de intrare suferã transformãri şi li se adaugã valoare. Standardul francez NF X50-150, defineşte urmãtoarele noţiuni: Constrângere (NF X50-150) – limitarea în libertatea de alegere a proiectantului / realizatorului unui produs. Constrângerile apar datoritã: - unor condiţii impuse produsului; - lipsei unor mijloace; - cerinţelor pieţei; - necesitãtii respectãrii unor norme; - impunerii unei soluţii de principiu. Constrângerile evolueazã în timp şi nu depend de loc. Constrângerile inutile trebuiesc identificate şi înlãturate. Intr-un produs constrângerile se regãsesc sub formã de “funcţii de constrângere”. Criteriu de apreciere (NF X50-150) –character reţinut pentru a aprecia modul în care o funcţie este îndeplinitã sau o constrângere este respectatã. Pentru o aceeaşi funcţie por exista criterii diferite de apreciere. In mãsura în care este posbil orice criteriu de apreciere trebuie asociat unei scãri care sã permitã evaluarea nivelului.

16

Produs (NF X50-150) – Ceea este sau va fi furnizat unui utilizator pentru a rãspunde necesitãţilor sale. Bunurile materiale obţinute sau create în urma unor procedee de munca se numesc produse. Obţinerea sau crearea produselor este rezultatul desfăşurării unui proces de producţie. Proces de producţie = proces tehnico-economic complex care cuprinde întreaga activitate desfăşurată pentru realizarea produselor. După obiectul asupra căruia se exercită, procesele de producţie pot cuprinde :

1. Procese de bază, care realizează fabricarea sau repararea produselor prin tehnologii de lucru şi tehnologii de control; procesele de bazã contribuie direct la transformarea materiilor prime si ale semifabricatelor în produse finite.

2. Procese de pregătire, (cuprinde activitãţile de proiectare, organizare); aceste procese se constituie în activitatea de pregãtire tehnologicã a fabricaţiei, de a cãrei acurateţe depinde succesul întregii activitãti productive;

3. Procese anexe, completare a celor de bază şi se referã la activitãţi cum ar fi cea de întreţinere a sculelor i utiliajelor;

4. Livrare şi comercializare

Activitate de conducere - luarea deciziilor; Proces de pregătire; Proces de bază; procese de producţie, care pot fi:; - fabricaţie; -reparaţie; procese de control; Procese anexe; Livrare;

Structura Proces de producţie Procesele de producţie se pot clasifica în :

- procese de extractie; - procese tehnologice de fabricaţie;

Pornind de la materiile prime, prin procesele tehnologice de fabricaţie se pot realiza:

- materiale de fabricaţie (produse neprelucrate în piese);

17

- materiale semifabricate (materiale folosite pentru fabricarea unor piese);

Dimensiunile semifabricatului fiind întotdeauna mai mari decât ale piesei finite, se defineşte noţiunea de indice (randament) de utilizare al materialului ( Mη ).

sf

pfM M

M=η x100 [%]

unde Mpf reprezintã masa piesei finite iar Msf masa semifabricatului. - piese finte (produsul finit rezultat din procesul tehnologic); - ansamblu tehnic, produs (totalitatea pieselor montate care alcătuiesc un sistem tehnic cu o anumitã funcţiune);

Un produs este un sistem tehnic care îndeplineşte o funcţie principală si este compus din mai multe repere. Fiecare reper este definit prin configuraţie geometrică şi caracteristici de material. Configuraţia geometrică este caracterizată prin

- formă; - dimensiuni; - poziţie relativă a suprefeţelor; - gradul de netezime al suprafeţelor sale (rugozitatea). Caracteristicile de material sunt definite de: - compoziţie chimică; - caractersitici mecanice; - structură;

- proprietăţi tehnologice. Reperele mai pot fi definite însă şi prin funcţiunile, caracteristicile

esenţiale care le definesc. Produsul finit rezultat în urma derulării unui proces tehnologic poate juca rolul de semifabricat în desfăşurarea altui proces tehnologic. Proces tehnologic 1 Proces tehnologic 2

ASEMIFA- ATBRICAT1 PIESÃ

FINITÃ 1 SEMIFA-BRICAT 2

PIESÃ FINITÃ 2

Procesele tehnologice de fabricaţie au următoarele ţinte :

1. - modificarea proprietăţilor fizico-mecanice ale materialelor;

18

2. - modificarea formei, dimensiunilor, poziţiei reciproce şi calităţii suprafeţelor;

3. – modificarea structurii ; Procesul tehnologic este o parte costitutivã a procesului de producţie în decursul cãreia se realizeazã transformarea materialului din semifabricat în piesã finitã. Procesele tehnologice pot fi :

procese tehnologice de prelucrare (elaborare, tratament termic, prelucrare dimensionalã);

Procesele tehnologice de prelucrare urmăresc modificarea configuraţiei geometrice, şi pot fi: - procese tehnologice de elaborare=vizează obţinerea materialelor ce

urmează a fi supuse prelucrării; - procese tehnologice de semifabricare=vizează obţinerea

semifabricatelor prin modificarea configuraţiei geometrice a pieselor;

- procese tehnologice de tratament=vizează modificarea structurii materialelor şi deci a caracetristicilor lor mecanice şi a proprietăţilor tehnologice;

procese tehnologice de control; procese tehnologice de asamblare (demontabilã sau nedemontabilã); procese tehnologice de reparare şi recondiţionare.

Procese tehnologice de semifabricare

Procese tehnologice de elaborare Procese tehnologice de prelucrare mecanicã si tratament termic

Materiale brute

Prin prelucrare se modifică starea sau compoziţia materialului, forma, dimensiunile, rugozitatea, poziţia reciprocă a suprafeţelor, iar prin asamblare se unesc piesele în mod ordonat într-un sistem tehnic. Procesul tehnologic de prelucrare se referã la :

elaborare; confecţionare; tratament termic; suprafaţare;

Materii prime

Semifabricate Piesã finitã

19

Metoda tehnologică (MT) exprimã principiul de execuţie al unei operaţii sau a unei serii de operaţii din punct de vedere al naturii fenomenelor fizico-chimice pe care le suportă materialul. Metoda tehnologică reprezintă un mod sistematic şi principial de executare a unei operaţii într-un proces tehnologic, dintr-un punct de vedere esenţial: natura fenomenelor care conduc la transformarea materialului supus prelucrării. Procedeul tehnologic (PT) se referă la mijloacele concrete prin care se realizează metoda tehnologică din punct de vedere al utilajelor folosite, al mediului de lucru şi al materialelor folosite. Procedeul tehnologic cuprinde şi mijloacele prin care se realizează o metodă tehnologică, din punct de vedere al dimensiunii materiale şi a celei normative a tehnologiei aplicate. Putem considera procedeul tehnologic ca fiind un sistem ordonat de douã elemente(în sens algebric). Pentru ca douã sisteme ordonate de douã elemente sã fie identice este necesar ca elementele lor componente sã fie identice. De aceea orice diferenţa oricât de micã în una din dimensiuni conduce la apariţia unui nou procedeu tehnologic.

PT = (Dmat, Dnorm)

O metodã tehnologică nu se aplică prin ea însăşi, ci prin intermediul procedeelor tehnologice. O aceeaşi metodă tehnologică se poate aplica prin una sau mai multe procedee tehnologice.

Metoda aratã modul principial de executare iar procedeul modul concret. Procedeele tehnologice aferente unei metode se deosebesc între ele prin utilajele şi sculele utilizate. Fiecare metodã tehnologicã îşi are fenomenele şi legile sale fundamentale. Procedeele respectã fenomenele şi legile fundamentale, completându-le cu fenomene şi legi proprii, corespunzãtoare utilajului tehnologic specific procedeului. Diferitele procedee tehnologice, aferente unei aceleaşi metode, pot avea anumite elemente comune. Putem astfel delimita în cadrul aceleaşi metode “grupe” “sau “familii “ de procedee tehnologice, care în ciuda individualizãrii lor au anumite elemente comune. Procedeele tehnologice se deosebesc prin utilajele tehnologice folosite.

Exemplu : Metoda - turnarea. Procedee tehnologice–turnarea în forme vidate, turnarea în

forme permanente, etc. Procedeul tehnologic de fabricaţie este o sumă de operaţii care se execută în serie sau în paralel (secvenţial sau suprapus).

20

Operaţia tehnologică este o parte constitutivă a unui procedeu tehnologic şi este o activitate ordonată, limitată în timp, efectuată fără întrerupere de către un operator, la un singur loc de muncă, asupra unuia sau mai multor materiale supuse lucrării, în scopul modificării proprietăţilor fizico-chimice, a formei geometrice şi a dimensiunilor materialului. Pe parcursul unei operaţii tehnologice se folosesc semifabricate şi materiale, maşini şi aparate de lucru, diverse dispozitive. Operaţia este compusă din mai multe faze. Faza este o parte a unei operaţii ce realizează un singur scop sau obiectiv tehnologic cu ajutorul aceleiaşi scule şi cu acelaşi regim de lucru. Faza poate fi compusă din mai multe mânuiri. Utilajul tehnologic poate fi acţionat manual, semiautomat sau automat. Prin sistem manual înţeleg un sistem la care fiecare fazã este comandã manual. La sistemele semiautomate numai extragerea piesei finite este manualã, restul fazelor derulându-se în regim automat. Pentru sistemele automate trebuie comandat manual numai începutul ciclului. Fiecare procedeu tehnologic este definit prin anumite caracteristici tehnologice, care sunt mărimi utilizate pentru determinarea, aprecierea şi diferenţierea modificărilor realizate asupra obiectului supus prelucrării. 1.2. Principii tehnologice Orice tehnologie este o sumã de procese multidimensionale, cu foarte mulţi parametri, rezultaţi din interacţiunea concretã a unor materiale reale cu mijloacele de transformare ale acestora. In ciuda caracterului relativ empiric al tehnologiei, existã totuşi legitãţi care conferã consistenţã şi coerenţã tehnologiei ca ştiinţã. Acestea sunt:

- Principiul multidimensional; - Principiul eficienţei; - Principiul informaţiei.Principiul proiectării proceselor tehnologice.

Principiul multidimensional Procesul de producţie este extrem de complex, existând o multitudine de mãrimi de intrare în sistem, şi o multitudine de factori externi cu care reacţioneazã. Existã de asemeni un numãr considerabil de variabile în sistem determinate de numãrul mare de materiale, scule, dispozitive, masini care concurã la realizarea procesului de producţie. Aceastã multitudine de variabile, de factori de interacţiune impune un

21

anumit tip de organizare a producţiei care sã se apropie de un optim tehnologic şi economic. Principiul eficienţei O tehnologie trebuie să permită realizarea nivelului maxim de eficienţă pentru care a fost proiectată. Această eficienţă trebuie să se regăsească în indicatori cum ar fi: cost, fiabilitate, productivitate, consum de materiale, consum de energie, consum de scule, etc. Prin derularea unui proces de producţie nu numai cã trebuie sã realizãm o anumitã cantitate de produse de o anumitã calitate dar trebuie ca activitatea productivã sã atingã anumiţi parametrii economici care sã confere unitãţii de producţie o rentabilitate cât mai ridicatã. Principalii indicatori de eficienţã sunt costul produsului, productivitatea muncii, fiabiltatea. Performanţele tehnice şi/sau tehnologice nu au nici o valoare dacã nu sunt dublate de o bunã eficienţã a procesului de producţie respectiv. Principiul informaţiei. Principiul proiectării proceselor tehnologice In desfăşurarea unui proces tehnologic, trebuie să asigurăm permanent controlul fluxurilor de intrare şi de ieşire în limitele prescrise. Procesul tehnologic trebuie să se desfăşoare cu cu minimum de efort şi cu maximum de rezultate. Proiectarea unui pordus cuprinde:

- proiectarea funcţională = se referă la conceperea produsului, ca sistem tehnic ce trebuie să îndeplinească anumite funcţiuni;

- proiectarea tehnologică = se referă la conceperea produsului astfel încât el să fie realizat printr-o tehnologie cât mai convenabilă.

Putem defini tehnologicitatea unei piese ca fiind cu atât mai bună cu cât piesa a fost produsă în parametri de calitate cu un consum minim de materiale, utilaje, manoperă. Aceasta presupune ca orice proces tehnologic să fie proiectat atât din punct de vedere funcţional (constructiv), cât şi tehnologic. Fluxurile de intrare şi de ieşire (ale unui proces tehnologic) sunt redate în figura de mai jos:

22

Fig. 1.1

Materiale

Energie

Forţă de muncă

Cunoaştere

Proces tehnologic

Produs

Energie disipată

Deşeuri materiale

Noi cunoştinţe

1.3. Proprietăţile materialelor (metalice) În momentul de faţã în practicã sunt folosite o multitudine de materiale , fiecare având anumite proprietãţi care le recomandã pentru realizarea animitor repere. Se impune de aceea sã analizãm aceste proprietãţi şi sã le clasificãm dupã anumite criterii : Mecanice Termice Fizice Electrice Intriseci Magnetice etc. Chimice Proprietăţi Tehnologice De utilizare De exploatare Proprietăţile intriseci sunt independente de locul şi modul de folosire. Proprietăţile de utilizare sunt dependente de metoda de prelucrare tehnologică, de domeniul de utilizare şi condiţiile de exploatare. Proprietăţile mecanice sunt cele corespunzătoare comportării lor la solicitările mecanice. Un material solid poate fi solicitat la solicitãri ca: tracţiune, compresiune, încovoiere, forfecare, răsucire.

23

Materialele metalice posedă următoarele proprietăţi mecanice: 1) Elasticitatea - proprietatea materialelor metalice de a se deforma sub

acţiunea unor forţe exterioare şi de a reveni la forma lor iniţială după ce solicitarea a încetat.

2) Rigiditatea - proprietatea metalelor de a se opune deformaţiilor elastice. Este o proprietate contrară elasticităţii. Cu cât modulul de elasticitate longitudinal (E) creşte cu atât rigiditatea creşte.

3) Plasticitatea - proprietatea materialelor deformate de a nu mai reveni la forma iniţială după ce forţele exterioare şi-au încetat acţiunea.

4) Fragilitatea - proprietatea materialelor de a nu permite deformaţii plastice până la rupere. Este o proprietate opusă plasticităţii. (o întâlnim la fontã).

5) Fluajul - proprietatea unor materiale de a se deforma în timp lent şi continuu sub acţiunea unor sarcini constante.

6) Tenacitatea - proprietatea materialelor de a acumula o energie mare de deformare plastică până la rupere. Materialele tenace se rup după deformatii plastice mari. Ca o măsură a tenacitătii este rezilienţa.

7) Duritatea - proprietatea unui material de a opune rezistenţă la pătrunderea din exterior în stratul sãu de suprafaţă a unui material mai dur. Duritatea se poate determina prin metodele Brinell, Rockwell, Vickers şi se exprimă în HB (unitãţi Brinell), HR (unitãţi Rocwell), HV (unitãţi Vickers);

Proprietăţile tehnologice - sunt cele corespunzatoare prelucrabilităţii prin

diferite procedee tehnologice. După proprietăţile lor tehnologice, materialele se pot prelucra prin mai multe metode şi procedee.

1) Turnabilitatea - proprietatea materialelor de a lua dimensiuni impuse după solidificarea materialului topit introdus în cavitatea de turnare;

2) Deformabilitatea - proprietatea unor materiale de a se obţine deformări remanente sub acţiunea solicitărilor.

3) Sudabilitatea - proprietatea materialelor de a realiza asamblãri nedemontabile prin stabilirea unor legături între atomii marginali ai pieselor de îmbinat;

4) Călibilitatea - proprietatea unor materiale de a deveni mai dure în urma încãlzirii şi răcirii lor bruşte la o anumită temperatură;

Proprietãţile economice ale materialului sunt definite de o sumã de relaţii de interdependenţã dintre material şi piaţa de desfacere şi utilizare.

24

CAPITOLUL 2.

PRELUCRAREA PRIN TURNARE 2.1. Consideraţii generale

Turnarea - este metoda tehnologică de fabricaţie a unei piese prin solidificarea unei cantităţi determinate de metal lichid, introdus într-o cavitate de configuraţie geometrice corespunzătoare. Este una dintre cele mai vechi metode tehnologice de prelucare a metalelor. Turnarea este o metoda tehnologică care are la bază principiul fizic în virtutea căruia orice lichid ia forma vasului ce îl conţine. Avantaje (Puncte tari)

1) Permite realizarea unor piese de geometrie complexă la preţuri reduse în raport cu piesele obţinute prin alte metode;

2) Accesibilitate (se poate asimila cu costuri minime şi în general nu necesitã mânã de lucru înalt calificatã);

3) Se pretează la mecanizare şi automatizare; 4) Permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului piesei.

Dezavantaje (Puncte slabe)

1) Compactitate şi rezistenţă mecanică redusă a pieselor obtinute prin acest procedeu;

2) Precizia dimensionalã este redusã; 3) Consum mare de manoperã, mai ales la turnarea în forme temporare; 4) Consum mare de energie pentru elaborarea şi menţinerea materialului în

stare lichidã; 5) Este o metodã de fabricaţie poluantã. Prin turnare se pot prelucra atât piese metalice cât şi cele nemetalice.

Statistic 50 - 70% din totalitatea pieselor utilizate se obţin prin turnare (spre exemplu 55% la subansamblele tractorului). Dezvoltarea sectorului de turnătorie conduce la micşorarea sectorului de prelucrări prin aşchiere, deoarece prin creşterea preciziei de turnare adaosurile de prelucrare devin mai mici şi ponderea prelucrãrilor ulterioare turnãrii scade. Teoria turnării studiază următoarele probleme:

proprietăţile metalelor în stare lichidă; solidificarea pieselor turnate; hidraulica turnării;

25

proprietăţile materialelor de formare; proiectarea şi execuţia formei de turnare;

Dintre proprietăţile metalelor în stare lichidă în procesele de turnare intervin în mod direct fluiditatea şi tensiunea superficială. La temperatura de turnare, metalele lichide prezinta o vâscozitate de 1,5 … 3 ori mai mare decât cea a apei. Vâscozitatea materialului topit este influenţată de :

- temperatura metalului lichid (în mod normal este de 50 … 100 °K peste temperatura de topire, în momentul turnãrii. Limita superioarã nu trebuie depãşitã deoarece riscãm arderea elementelor de aliere, cu consecinţe nefaste asupra caracteristicilor mecanice ale piesei obţinute prin turnare);

- compoziţia chimică; Procesul cristalizării primare a materialului turnat are o importanţă

hotărâtoare pentru calitatea piesei şi în primul rând pentru proprietăţile mecanice ale acesteia. Creşterea rezistenţei mecanice rezultă din micşorarea dimensiunilor grăunţilor, condiţie care se obţine din mărirea artificială a numărului germenilor de cristalizare prin introducerea în masa metalului lichid a unor cantităţi mici de substanţe numite modificatori (Ca, Si, Al, Mg). Viteza de solidificare se poate defini ca viteza de deplasare a frontului de cristalizare în interiorul masei de metal topit. Odată cu mãrirea vitezei de solidificare se înrãutãtesc rezistenţa şi plasticitatea metalelor.

2.2. Proprietăţile de turnare ale metalelor şi aliajelor Proprietatea tehnologica a materialului metalic de a se turna în piese se numeşte turnabilitate. Proprietăţile fizice care influenţează turnabilitatea sunt:

1) Fuzibilitatea - proprietate a materialelor metalice de a trece în stare lichidă. Metalele şi aliajele care se topesc la temperaturi joase se numesc uşor fuzibile. Pentru metalele uşor fuzibile se folosesc instalaţii de topire simple, iar preţul acestora este scãzut.

2) Fluiditatea - proprietatea metalelor şi aliajelor aflate în stare lichidă de a curge cu uşurinţă şi de a umple forma în care sunt turnate. Piesele cu pereţi subţiri şi contur complex se obţin numai din materiale cu fluiditate ridicată.

3) Tensiunea superficială - forţa care se exercită tangenţial la suprafaţa lichidelor, datorită interacţiunii dintre atomii

26

de la suprafaţa lichidului şi cei din jur. Cu cât tensiunea superficială este mai mare, cu atât calitatea suprafeţei pieselor turnate este mai bună.

În timpul procesului de solidificare în piesa turnată au loc fenomene secundare care conduc la formarea retasurilor, suflurilor, fenomene care se datoreazã în principal stării de agregare şi reducerii dimensiunilor la răcire (contracţie).

2.3. Structura formelor turnate Forma de turnare este dispozitivul specific cu ajutorul cãruia se realizeazã piesa turnatã. Sinonime sunt: cochila, matriţa de injecţie, etc. Părţile componente ale formelor de turnare sunt:

reţeaua de turnare; cavitatea formei; maselotele (atunci când sunt necesare);

Reţeaua de turnare - reprezintă ansamblul canalelor care servesc la introducerea şi dirijarea metalului lichid în formă. Ea are ca scop să asigure umplerea rapidă a formei fără distrugerea acesteia şi să favorizeze răcirea uniformă şi dirijată a piesei turnate. Ea trebuie sã asigure:

- umplerea rapidã dar liniştitã a cavitãţii formei; - sã reţinã impuritãţile, astfel încât acestea sã nu ajungã în interiorul

cavitãţii formei; - sã asigure o repartizare corectã a temperaturii în metalul din formã, prin

alegerea corectã a punctelor de intrare.

27

1 = gura pâlniei; 2 = piciorul pâlniei; 3 = canalul colector de zgurã; 4 = canalele

de alimentare Fig. 2.1. Reţeaua de turnare

Elementele componente ale reţelei de turnare sunt :

1) Gura pâlniei de turnare - uşurează introducerea metalului lichid în cavitatea formei preluând o parte din şocul vânei de metal topit. Din punct de vedere constructiv gura pâlniei se execută sub forma de pâlnie tronconică, cupă sau bazin.

• Cupa este folosită în cazul debitelor mari de lichid şi este prevazută cu un prag pentru reţinerea zgurei;

• Bazinele sunt cupe de dimensiuni mari, cu o capacitate de 50 - 60% (uneori 100%) din volumul de metal necesar turnării şi au dopuri la intrarea în piciorul pâlniei. Se aplică la turnarea pieselor de gabarite mari.

28

Fig.2.2. Variante c onstructive ale gurii pâlniei

2) Piciorul pâlniei de turnare - este un canal vertical, tronconic, care face legatura între gura pâlniei şi colectorul de zgură. El se execută cu secţiunea tronconica variabilă, descrescătoare înspre punctul de alimentare. 3) Colectorul de zgură - are rolul de a reţine zgura, impurităţile şi de a asigura pătrunderea liniştită a metalului în canalele de alimentare. Pentru a se reţine zgura colectorul trebuie să aibă o înãlţime mare ca să permită ridicarea la suprafata a impurităţilor. 4) Canalele de alimentare - (unul sau mai multe) fac legatura între colectorul de zgură şi cavitatea formei. Secţiunea transversala a acestora poate fi dreptunghiulară, triunghiulară sau trapezoidală şi mai rar circulară. Calitatea unei piese turnate depinde în mod esenţial de corectitudinea dimensionării şi execuţiei reţelei de turnare.

Proiectarea reţelei de turnare impune: 1) Stabilirea locului de alimentare cu metal a cavităţii formei

turnare directa; turnare laterală; turnare indirectă cu sifon;

2) stabilirea schemei de amplasare a canalelor; 3) determinarea duratei de turnare; 4) calculul secţiunii elementelor reţelei; Trebuie sã avem în

vedere faptul cã reţeaua de turnare se înlãturã dupã turnare şi deci o reţea de turnare voluminoasã conduce la un indice scãzut de utilizare a metalului, în timp ce o reţea de turnare subdimesionatã poate conduce la îngheţarea metalului topit si deci la obţinerea unor piese incomplet turnate.

Cavitatea formei - asigura obţinerea piesei turnate la configuraţia şi dimensiunile dorite. Proiectarea geometriei cavităţii formei este o problemă fundamentală în tehnica turnării.

29

Cavitatea formei trebuie să reziste presiunii dinamice a jetului de metal lichid. Maselotele sunt rezervoare de metal lichid, amplasate corespunzător sub formă de prelungiri ale piesei turnate. Rolul lor principal constă în alimentarea cu metal lichid a cavităţii formei pe durata răcirii şi solidificării, în vederea compensării contracţiei volumetrice. Cavitatea formei se umple cu metal lichid cu volum specific corespunzător temperaturii de turnare, mai mare cu 3…12% decât volumul specific al metalului la temperatura mediului ambiant. Deci fără luarea unor măsuri imediate va apare un deficit de material sub formă de goluri de contracţie numite retasuri. Pentru combaterea retasurilor trebuie asigurată solidificarea dirijată a pieselor turnate prin:

aşezarea părţii groase a pieselor în sus; corecta dimensionare şi amplasare a maselotelor;

Problema retasurilor se pune în special la materialele cu coeficienţi de contracţie ridicaţi: oţel, fonte. Maselotele au următoarele dezavantaje:

creşte consumul de metal (35-50%); măreste consumul de manoperă pentru înlăturarea lor;

2.4. Clasificarea procedeelor de turnare

Clasificarea procedeelor tehnologice de turnare se face dupã urmãtoarele criterii:

I. După durabilitatea formei (numărul de turnări ce se pot efectua cu aceeaşi formă) :

1. forme temporare (1 formã de turnare conduce la obţinerea unei piese turnate);

2. forme semipermanente (1 formã de turnare conduce la obţinerea a aproximativ 10 piese turnate);

3. forme permanente (1 formã de turnare conduce la obţinerea câtorva sute de piese turnate);

II. După forţele care acţioneazã asupra metalului topit în timpul

turnãrii şi al solidificãrii metalului: 1. statică (gravitaţionalã); 2. centrifugală; 3. sub presiune;

30

III. Dupã mãrimea presiunii la care se toarnã:

1. depresiune; 2. suprapresiune; 3. presiune normalã;

IV. Dupã modul de turnare:

1. directã; 2. indirectã; 3. continuã; 4. intermitentã; 5. în planul de separaţie;

V. Dupã numãrul planelor de separaţie: 1. fãrã plan de separaţie; 2. cu un plan de separaţie; 3. cu mai multe plane de separaţie; VI. Dupã grosimea pereţilor:

1. pereţi groşi; 2. pereti subţiri (coji);

VII. Dupã gradul de uscare al formei:

1. forme crude (umede); 2. forme uscate;

VIII. Dupã natura liantului: 1.solid (argilã, bachelitã, etc.); 2. lichid (apã, rãşini, silicat de sodiu, etc.); 3. gazos (vid); IX. Dupã gradul de automatizare:

1. manual; 2. mecanizat; 3. automatizat;

Varietatea extrem de mare a procedeelor de turnare utilizate în prezent este legatã de :

volumul producţiei (cantitatea de material turnatã anual) ; caracterul producţiei ;

31

numãrul de repere ; mãrimea seriei de fabricaţie .

2.5. Etapele fundamentale ale procesului tehnologic de turnare Ciclul de fabricaţie al unei piese turnate cuprinde urmãtoarele etape :

1. Proiectare tehnologică. Este etapa cea mai importantã, de ea depinzând succesul întregului ciclu de fabricaţie. Acum se concepe dimensiunea normativã a procedeului tehnologic, succesiunea fazelor, ca şi echipamentul tehnologic de formare şi miezuire.

2. Confecţionarea modelului, cutiilor de miezuri, ramelor de formare (echipamentul tehnologic).

3. Executarea cavităţii formei. Specificitatea fiecãrui procedeu tehnologic de turnare constã în modul de obţinere a cavitãţii formei , restul etapelor fiind comune, indiferent de procedeul tehnologic de turnare adoptat.

4. Elaborarea materialului topit. 5. Turnarea propriu-zisă. 6. Constituirea piesei turnate. 7. Dezbatere. Constã în extragerea piesei turnate constituite din

cavitatea formei. Dacã forma este durabilã, atunci dezbaterea se reduce la deschiderea formei si extragerea piesei turnate. Dacã forma este temporarã, extragerea piesei turnate presupune distrugerea acesteia.

8. Îndepărtarea reţelei de turnare. Se realizeazã prin tãierea canalelor de alimentare, fie cu flacãrã de gaze, fie prin aşchiere.

9. Curăţarea. Constã în îndepãrtarea particulelor aderente la suprafeţele piesei turnate. Operaţia se poate realiza prin sablare cu alice, cu jet de apã sub presiune, manual sau în tobe rotative.

10. Controlul tehnic de calitate (C.T.C.). Presupune verificarea dimensionalã, a calitãţii suprafeţei, a compoziţiei chimice, a caracteristicilor mecanice, a structurii, a masei. Orice abatere de la valorile nominale indicate în documentaţia de execuţie este consideratã defect. Defectele pieselor turnate sunt standardizate.

11. Remedierea defectelor de turnare se face prin diferite metode ce vor fi detaliate în capitolele urmãtoare.

12. Tratament termic primar urmãreşte atât eliminarea tensiunilor interne ce apar în timpul solidificãrii şi rãcirii, cât şi obţinerea unei structuri cu grãunţi fini, urmare a recistalizãrii.

32

Varietatea mare a procedeelor de turnare este condiţionată de modul de obţinere a cavităţii formei turnate, restul etapelor fiind identice. Diferenţa dintre diferitele procedee tehnologice de turnare constã în principal în modul de generare a cavitãţii formei, restul etapelor fiind aceleaşi, indiferent de procedeul tehnologic utilizat. De aceea, în cele ce urmeazã studiul diferitelor procedee tehnologice de turnare se va reduce în mare mãsurã la modul de obţinere a cavitãţii formei .

2.6. Turnarea în forme temporare

Formele temporare se confecţionează din amestecuri de formare constituite din materiale granulare refractare (nisipuri), din lianţi şi materiale de adaos. Rezistenţa mecanică a acestor forme se obţine în urma îndesării granulelor refractare învelite cu o peliculă de liant. Formele temporare se realizează din punct de vedere constructiv în două variante:

cu pereţi groşi (50 … 250 mm); cu pereţi subţiri (forme coji, 5 … 15 mm);

2.6.1. Turnarea în forme temporare cu pereţi groşi Turnarea în forme temporare cu pereţi groşi reprezintã nu un procedeu tehnologic, ci o familie de procedee tehnologice, deoarece confecţionarea formelor temporare se realizeazã în mai multe moduri, fiecare dintre ele efectuându-se cu utilaje specifice, deci constituindu-se în procedee tehnologice distincte. Vom distinge deci un procedeu tehnologic de turnare în forme temporare cu pereţi groşi ale cãror forme se obţin prin formare manualã cu model în rame de formare , un altul la care formele se obţin prin formare manualã cu şablon în solul turnãtoriei, sau diferite procedee tehnologice de turnare în forme temporare cu pereţi groşi obţinute prin diferite metode de formare mecanizatã, în funcţie de utilajul utilizat.

Varietatea mare a procedeelor tehnologice de turnare în forme temporare este condiţionatã de echipamentul tehnologic utilizat pentru formare şi miezuire, de natura sursei de energie folositã pentru operaţiile de îndesare, demulare şi asmblare a formelor, de locul unde se confecţioneazã forma de turnare. Dupã fiecare turnare, formele temporare se distrug în faza de extragere a piesei turnate.

33

Avantaje Procedeul permite obţinerea unei game largi de piese turnate din punct de vedere al greutăţii şi configuraţiei geometrice. Ele se pretează în special pentru fabricaţia individuală şi de serie mică. Dezavantaje

precizie dimensionalã mică; calitate slabă; proprietăţi mecanice inferioare ale metalului turnat; consum mare de material pentru reţeaua de turnare; adaosuri de prelucrare mari;

În ciuda dezavantajelor, prin acest procedeu se obţin 80% din totalul pieselor turnate gravimetric. În vederea obţinerii cavităţii formei turnate prin acest procedeu tehnologic avem nevoie de : - Echipament tehnologic pentru formare şi miezuire; - Materiale pentru forme şi miezuri; Echipamentul pentru formare şi miezuire se compune din:

modele; plăci model; şabloane; cutii de miez; rame de formare.

Modelele sunt dispozitive cu ajutorul cărora se imprimă în amestecul de formare cavitatea formei corespunzător configuraţiei exterioare a piesei de turnat. Modelele se execută din lemn (60-70%) de esenţă moale (pin, molid), de esenţă tare (tei, arin, pãr), din metal sau din materiale plstice şi compozite. Modelele din lemn rezistă la 100 de formări manuale sau 1000 de formări mecanice. Modelele metalice se confecţionează din aluminiu. Modelele trebuie să posede următoarele elemente constructiv-tehnologice, dintre care majoritatea se regăsesc şi în piesa turnată:

planul de separaţie asigură demularea şi trebuie să fie în număr minim, cel puţin 1;

34

înclinări ale suprafeţelor frontale - pentru uşurarea demulării;

racordări - pentru a preveni apariţia fisurilor; mărci - locaşuri pentru montarea miezurilor; adaosurile de contracţie; adaosurile de prelucrare.

Fig.2.3. Mãrci de centrare

În vederea recunoaşterii cu uşurinţã a modelelor, datoritã faptului cã o aceaşi piesã turnatã poate fi obţinuta din diferite aliaje cu diferiţi coeficienţi de contracţie, acestea se vopsesc în diferite culori, dupa cum urmeazã :

oţel - albastru ; fontã - roşu ; mărcile de centrare se vopsesc în negru; aliaje neferoase - galben sau lac incolor.

Plăcile model se obţin prin dispunerea unor semimodele metalice pe plăci metalice (din aluminium);

Şabloanele sunt dispozitive sub formă de plăci, cu contur bine determinat şi care supuse unor mişcări de rotaţie sau translaţie generează în amestecul de formare suprafeţele interioare ale cavităţii formei. Se folosesc la serii de fabricaţie mici şi au o precizie scãzută. Au avantajul costului redus faţã de modele.

35

Fig. 2.4. Şabloane de rotaţie şi de translaţie

Ramele de formare - sunt dispozitive metalice utilizate pentru susţinerea formelor temporare cu pereţi groşi. Pentru fixarea şi centrarea ramelor se folosesc bolţuri de centrare. De cele mai multe ori se obţin din construcţii sudate.

1=ramã superioarã; 2=ramã inferioarã; 3=suprafaţã separaţie

4=mâner manipulare; 5=guler ghidare; 6=bolţ centrare

Fig. 2.5. Rame de formare

Miezurile sunt o parte distinctã a formei de turnare, cu ajutorul cãrora se obţine configuraţia interioarã a pieselor turnate. Cutiile de miez - sunt dispozitive a căror configuraţie corespunde golurilor sau orificiilor din piesa de turnat şi servesc la confecţionarea miezurilor.

36

Pentru piese cu configuraţie simplă se execută un model, iar pentru piese cu configuraţie complicată este necesar să se construiască :

- modelul propriu-zis; - cutia de miez; - modelul reţelei de turnare; - modelele maselotelor;

Golurile interioare ale piesei se obţin cu ajutorul miezurilor executate în cutii de miez. Pentru a avea o anumită poziţie în cavitatea formei, miezurile se aşează în nişte locaşuri numite mărci de centrare. Ele se materializeazã în cavitatea formei prin nişte proeminenţe pe conturul exterior al modelului.

Materiale folosite pentru forme şi miezuri sunt amestecul de formare şi

amestecul de miez. Amestecul de formare este materialul din care se realizeazã, la formele temporare, interiorul formei de turnare. El este compus din:

nisipuri; lianţi; materiale de adaos;

Nisipurile - sunt materialele de bază ale amestecurilor de formare. Ele au drept principală componentă siliciul datorită proprietăţilor lui refractare. Ele pot fi brute , cu până la 50% argilă şi spălate cu până la 0,2 … 2 % argilă. Lianţii - sunt materialele care aderă la grăunţii de nisip şi fac legătura între ei. Ei asigură plasticitatea şi rezistenţa necesară a amestecului. - ARGILĂ;

- BENTONITĂ ANORGANICI - CIMENTUL;

- ULEIURI VEGETALE; - ULEIURI MINERALE; ORGANICI - ULEIURI SINTETICE

Lianţi

37

Fig.2.6. Structura amestecului de formare

Accelerarea proceselor naturale de disociere şi uscare este posibilă prin :

suflarea formelor şi miezurilor cu CO2; introducerea de ferosiliciu măcinat în amestecul de formare; scufundare formelor în clorură de amoniu;

Materiale de adaos cele mai frecvent utilizate sunt : apă; agenţi de activare şi accelerare a proceselor de întărire; adaosuri pentru îmbunătăţirea caracteristicilor, mecanice şi

tehnologice; Pe cavitatea formei, înainte de a se închide forma, se aplicã un strat de

vopsea refractarã. Vopselele refractare de turnătorie sunt suspensii de material refractar (grafit, cuarţ) în apă sau alcool, cărora li se adaugă melasă, dextrină sau bentonită pentru mărirea stabilităţii. Aceste vopseluri sunt de protecţie sau de izolaţie. Se aplică pe suprafaţa formelor şi miezurilor înainte de uscare. Pentru lipirea sau separarea formelor şi miezurilor se utilizează cleiuri de turnătorie.

38

Pudrele de turnătorie sunt materiale antiaderente. Ele pot fi de izolaţie sau protecţie. Pudrele de izolaţie se presară pe suprafeţele modelelor sau al cutiilor de miez pentru a le izola de amestecul de formare (de exemplu licopodiul). Pudrele de protecţie se presară pe suprafeţele formelor şi a miezurilor crude pentru a evita aderenţa amestecului de formare la piesa turnată (exemplu grafit, talc, etc). Amestecurile de formare se diferenţiazã, din punct de vedere al compoziţiei chimice, în amestecuri de formare pentru fontã, oţel sau aliaje neferoase. Amestecuri de formare se folosesc pentru :

formare; miezuire; remedieri;

Amestecurile de forme se clasificã în amestecuri de model amestecuri de umplere amestecuri unice

Proprietăţile amestecurilor de formare sunt :

a) - plasticitatea; b) - compresibilitatea; c) - permeabilitatea la gaze; d) - rezistenţa mecanică; e) - refractaritatea; f) - durabilitatea;

Aceste proprietăţi sunt influenţate de: umiditatea amestecului; compoziţia granulometrică; gradul de îndesare; compoziţia chimică; compoziţia mineralogică;

Procesul tehnologic de obţinere a cavităţii formei piesei turnate se execută conform schemei de mai jos:

Prep. amestec Execuţie model Execuţie cutie miez Prep. amestec miez

39

1=cavitatea formei; 2=reţea de turnare; 3=rame de formare; 4=suprafaţa de

separaţie 5=miez; 6=amestec formare; 7=maselote; 8=marcã de miez; 9=canale aerisire

Fig.2.7. Structura formei de turnare

Prezentãm mai jos un exemplu de reţetã de amestecuri de formare unice pentru obţinerea unei piese turnate din oţel în forme uscate

Amestec folosit Nisip spãlat Argilã Umiditate

Exexutia cavitãţii formelor de turnare

Execuţie miez

Uscare Uscare

Asamblarea formelor

40

şi regenerat

40 - 80% 5 - 50% 4 - 9% 5 - 6% Formarea este ansamblul operaţiilor prin care se realizeazã forma de turnare. Termenul se referã numai la formele de turnare temporare şi semipermanente confecţionate din amestec de formare. Formarearea presupune: - introducerea amestecului de formare în rame;

- îndesarea amestecului de formare; - extragerea modelului din formă (demularea).

Metodele de confecţionare a formelor (de formare) pot fi : manuale; mecanizate.

Metode manuale de formare – Aproximativ 40-60% din volumul de munca necesar obţinerii pieselor turnate se consumă pentru executarea formelor.

Se aplică la unicate şi serie mică. Principalele procedee tehnologice de formare manualã sunt:

1. cu model în solul de turnătoriei; 2. cu şablon în solul turnătoriei; 3. cu şablon în forme semipermanente; 4. în rame de formare cu model dintr-o bucată; 5. în rame de formare cu model demontabil; 6. în rame de formare cu placa model; 7. în rame de formare cu şablon;

Formarea mecanizată Specific acestor metode este utilizarea plăcilor model şi a amestecurilor de formare unice. Se aplicã la operaţii grele şi cu volum mare de muncã.

Pe maşinile de format se execută mecanizat cele trei operaţii principale ale formării şi anume:

introducerea amestecului de formare în rame; îndesarea amestecului de formare; extragerea modelului din formă;

Avantaje precizie mare; reduc efortul fizic; productivitate mare; personal cu calificare redusă, de aici rezultând costul redus

al manoperei;

41

După modul de îndesare a amestecului, maşinile de format mecanizat se clasifică în :

1. Maşini de format prin scuturare; 2. Maşini de format prin presare; 3. Maşini de format prin aruncare; 4. Maşini de format prin suflare; 5. Maşini de format combinate.

Maşini de format prin scuturare Îndesarea amestecului se face sub acţiunea forţelor de inerţie ale granulelor de nisip. Sunt maşini pneumatice. Înălţimea de cădere a pistonului este de 30 - 80 mm, iar frecvenţa scuturărilor este de 250 lovituri / minut. Pentru formare sunt necesare 30 - 50 lovituri.

1=traversã; 2=sabot presare; 3=placã model; 5=piston cilindru 6=cilindru presare; 7=ramã formare; 10=piston; 11=canal admisie evacuare

Fig. 2.8. Schema maşinii de format prin scuturare

Dezavantaje şocuri construcţie complicată a plăcii model şi a fundaţiei maşini

Maşini de format prin presare

42

Fac parte din familia preselor pneumatice. Dozarea amestecului este asigurată prin dimensionarea corespunzătoare a unei rame de umplere, aşezată deasupra ramei de formare.

1=traversã; 2=sabot presare; 3=ramã formare; 5=cilindru; 6=ramã formare;

7=placã model. Fig.2.9. Schema maşinii de format prin presare

Maşini de format prin aruncare Realizează îndesarea prin proiectarea amestecului de formare, în straturi succesive până la umplerea formei. Capul aruncătorului este fixat pe un braţ articulat. Se foloseşte pentru formarea pieselor mari.

43

1=model; 2=ramã formare; 3=amestec formare; 4=cupã

5=carcasã metalicã; 6=bandã transportoare. Fig.2.10. Schema maşinii de format prin aruncare

Maşini de format prin suflare

Funcţionează pe principiul amestecării aerului comprimat cu amestecul de formare şi proiectării amestecului în cutia de formare special cosntruitã.

2.6.2. Turnarea în forme temporare cu pereţi subţiri (forme coji) Formele coji sunt forme cu pereţi subţiri având grosimi de 3...5 mm, realizate din amestecuri de formare speciale. Caracteristici Se aplică în special pieselor mici, cu grad mare de complexitate, în turnătorii specializate, în producţia de serie mare şi masă, la care costul relativ ridicat al materialelor utilizate la formare este compensat de eliminarea unor operaţiuni ulterioare de prelucrare prin aşchiere a piesei turnate. Avantajele metodei

reduce consumul de amestec de formare; reduce manopera de formare şi dezbatere;

44

îmbunătăţeşte calitatea pieselor turnate, întrucât permeabilitatea şi compresibilitatea formelor coji sunt mai bune;

creşte precizia dimensionaleşi calitatea suprafeţelor, obţinute prin turnare;

posibilitatea mecanizării procedeului;

2.6.2.1. Tehnologia de confecţionare a formelor coji cu liant pe bază de răşini termoreactive

Amestecul de formare este compus din nisip cuarţos (granulaţie 0,1 … 0,2 mm), praf de bachelită sau novolac (răşină termoreactivă, 5 - 9% ) ca liant şi urotropină fin măcinată (0,5 - 1% ), ca material de adaos. Plăcile model, exclusiv metalice, se încălzesc la 500 - 750 °K (în general la temperaturi mai mari decât punctul de polimerizare al liantului). Datorită temperaturii ridicate a plăcii model, răşina termoreactivă se topeşte, polimerizează şi se întăreşte ireversibil legând grăunţii de nisip între ei. Pentru a împiedica aderarea amestecului la placa model se pulverizează pe aceasta ulei mineral sau ulei siliconic. Grosimea formei coji este cu atât mai mare cu cât temperatura plăcii este mai mare şi durata de menţinere creşte. Ea poate ajunge la 6 - 10 mm. Pentru omogenizarea cojii ea este supusă după demulare unei calcinări la 550 - 600 °K. Formele coji se pot obţine prin următoarele metode ;

căderea amestecului termoreactiv pe placa model caldã; prin suflarea amestecului termoreactiv pe placa model calda

; prin imersia plãcii model în amestecul de formare ;

Semiformele coji astfel obţinute (care au şi reţeaua de turnare şi eventual mãrci de centrare) se asamblează corespunzător solidarizându-se cu scoabe elastice sau prin lipire cu cleiuri adecvate. Pentru turnare formele mari se introduc în containere, iar spaţiul rămas între formã si peretele containerului se umple cu nisip. Aceste containere se introduc în cuptoare unde are loc calcinarea, iar turnarea se face in forma caldã, din urmãtoarele considerente - Se evitã prezenţa apei (sau a altui lichid) care în contact cu metalul topit

poate vaporiza instantaneu şi produce o presiune care sã distrugã forma şi sã pericliteze integritatea celor din jur.

- Forma fiind caldã viteza de solidificare şi rãcire scade, cu consecinţe benefice asupra structurii (se obţin grãunţi fini).

45

- Se evita distrugerea formei , datorita diferenţei foarte mari de temperaturã dintre formã şi metalul topit.

Fig. 2.11. Forme coji obţinute prin cãderea amestecului de formare

46

Fig. 2.12. Forme coji obţinute prin suflarea amestecului de formare

2.6.2.2. Tehnologia de confecţionare a formelor coji cu modele uşor fuzibile

Particularitatea esenţială a acestui procedeu de formare constă în aceea că operaţia de demulare se realizează prin scurgerea din formă a materialului modelului adus în stare lichidă. În consecinţă este posibilă confecţionarea unor forme de turnare fără suprafaţã de separaţie, ceea ce permite obţinerea unor piese turnate cu precizie dimensionalã ridicată (+0,25 mm) la care este exclusă în principiu necesitatea unei prelucrări mecanice ulterioare. Cel mai des modelele se execută din materiale ceroase (stearină + parafină) prin presare în stare păstoasă într-o matriţă. Modelele din materiale ceroase au uneori ataşată reţeaua de turnare, iar alteori se asamblează în ciorchine la o pâlnie de turnare comună. Pentru realizarea formei coji ciorchinele se imersionează de 3 - 6 ori în amestecul de formare compus din 50% praf de cuarţ şi 50% silicat de sodiu după care se presară nisip cuarţos. Aplicarea unui strat nou se face numai după întărirea celui precedent. Accelerarea proceselor de întărire a liantului se asigură prin imersionarea ciorchinelui presărat cu nisip în soluţie de clorură de amoniu. După obţinerea unei forme cu grosimea dorită, modelele fuzibile se îndepărtează din formă prin încălzire în curent de aer sau apă. Formele coji se usucă la 450 - 575 °K şi apoi se introduc în cutii metalice cu nisip şi se calcinează la 1275 - 1325 °K în cuptoare electrice. Formele se scot din cuptor cu câteva minute înainte de turnare, iar turnarea se face în forme calde la 1000 °K. Metoda asigură o mare precizie, dar este limitată de greutatea pieselor turnate. Se toarnă în formele coji calde (aproximativ 1000°K) deoarece în acest mod se controlează viteza de răcire (prin scăderea acesteia se ameliorează structura piesei turnate şi prin aceasta caracteristicile mecanice) şi se preîntâmpină eventualele accidente ce ar putea fi cauzate de prezenţă vaporilor de apă în cavitatea formei.

2.6.3. Turnarea în forme vidate Turnarea în forme vidate reprezintă un procedeu de turnare statică în forme temporare. Deoarece specificitatea acestui procedeu constă în modul

47

de obţinere a cavităţii formei, (celelalte etape fiind identice cu cele ale celorlalte procede tehnologice de turnare) în cele ce urmează vom detalia numai această operaţie. Procedeul se recomandã pentru obţinerea pieselor de dimensiuni mijlocii, în producţie de serie mare şi masã, permitând automatizarea completã a procesului. În vederea obţinerii cavităţii formei se utilizeză plãci model, rame de formare de construcţie specială, amestec de formare din nisip fin fără liant sau materiale de adaos şi folie de polietilenă. Rama de formare se umple cu nisip fin, peste care se aplică o folie de polietilenă. Cu ajutorul modelului (prin apăsarea acestuia) se imprimă în nisip forma şi dimensiunile acestuia. În acest moment se cuplează rama de formare la o instalaţie de vid, obţinându-se prin vidare cavitatea formei. În mod analog se obţine şi cealaltă semiformă. Pe durata turnãrii şi solidificãrii forma de turnare rãmâne cuplatã cu instalaţia de vidare. Dupã arderea polietilenei la contactul cu aliajul topit etanşarea se face satisfãcãtor prin masa aliajului. După turnare se recuperează 90% din nisip. Procedeul permite obţinerea unor piese turnate în condiţii de precizie dimensională şi de calitate a suprafeţei deosebite. De asemeni se reduc manopera de formare şi de obţinere a amestecului de formare.

48

Fig. 2.13. Schema turnãrii în forme vidate

Turnarea în forme vidate are următoarele avantaje:

- cost redus al materialelor de formare; - este nepoluantă; - productivitate ridicatã; - cost redus al manoperei de formare; - condiţii mai bune de lucru;

49

- simplificã prepararea amestecului de formare; Se remarcă necesitatea folosirii unor rame de formare de construcţie specială, prevăzute cu orificii pentru absorbţia aerului şi cu site fine pentru a preveni absorbţia nisipului. In cazul pieselor cu configuraţie interioarã se pot folosi miezuri clasice din amestec de miez. Se utilizează plăci model metalice, care se încălzesc în prealabil în vederea unei mai bune mulări a foliei de polietilenă. După asamblare şi închidere formele se menţin vidate pânã la umplerea completă a formei şi solidificarea unei cruste de metal la partea exterioară a piesei. Vidarea favorizează o bună degazare a metalului turnat.

2.6.4. Turnarea de precizie cu modele gazefiabile din polistiren Ca şi alte procedee tehnologice de turnare, specificitatea acestuia constã în modul de obţinere a cavitãţii formei. În 1958 Harold Shroyer patenteazã tehnologia de turnare în forme pline, fãrã demularea modelului (cavityless casting mold - forma de turnare fãrã cavitate a formei). Tehnologia pãtrunde în Romania în anii `80 prin achiziţionarea de la firma italianã FATA a unui robot de turnare cu patru posturi pentru pistoanele autoturismelor OLTCIT, care utilizeazã tehnologia numitã POLICAST PROCES (modele expandabile din polistiren expandabil).

50

Fig. 2.14. Reprezentarea schematicã a proceselor metalurgice la turnarea cu

model gazeificabil Vom expune în cele ce urmeazã principiul acestui procedeu , aşa cum rezultã el şi din figura 2.15.

Geometria piesei turnate rezultã concomitent cu eliminarea modelului din polistiren din forma construitã din nisip uscat, fãrã liant. Sunt utilizate modele din polistiren expandat, vopsite, astfel încât crusta refractarã sub acţiunea presiunii gazelor rezultate la termodistrucţia modelului menţin rigiditatea formei şi pastreazã configuraţia cavitãţii amprentã, evitând surparea nisipului. Stratul de vopsea trebuie sã aibã şi o oarecare permeabilitate astfel încât sã asigure evacuarea corespunzãtoare a gazelor rezultate prin descompunerea polistirenului. Nu existã un contact direct între aliajul lichid şi nisip şi nici între metal şi polistiren. Spaţiul “D”poartã denumirea de “volum de control “şi are o mãrime de aproximativ 1 mm. Pentru creşterea vitezei de gazefiere, în compoziţia polistirenului expandat se introduc diferiti compuşi care contribuie la :

51

creşterea vitezei de topire şi de gazefiere al polistirenului; ruperea completã şi rapidã a legãturilor din lanţul polistirenului în

procesul de termodistrucţie. Topirea totalã a modelului are loc într-un interval scurt de timp 1,5…4 secunde. Rezistenţa la rupere a aliajelor turnate prin acest procedeu tehnologic este superioarã cu aproximativ 5% celei a aceluiaşi aliaj turnat în formã temporarã cu model de lemn. Modelele de polistiren se obţin în matriţe prin umflarea granulelor de polistiren şi sudarea între ele. Dacã modelele sunt foarte complexe, ele se pot confecţiona din bucãţi şi asambla prin lipire. Operaţia de formare are trei etape principale : 1) Aşezarea modelului centrat în cutia de formare ; 2) Acoperirea modelului cu nisip uscat, fãrã liant ; 3) Indesarea nisipului în jurul modelului, pentru a realiza o mularea cât

mai perfectã a nisipului pe suprafaţa lui. Pentru formare, în locul perechii clasice de rame de formare se utilizeazã cutii metalice de tip container, cilindrice sau poligonale, care permit manipularea mecanizatã. Dupã umplerea cu nisip a cutiilor se realizeazã îndesarea prin scuturare. Putem mãrii gradul de îndesare al nisipului prin vidare. Dacã piesele turnate au şi configuraţie interioarã se pot utiliza miezuri (metalice sau nemetalice), care se încastreazã în prealabil în model, la operaţia de expandare a granulelor de polistiren. Se pot utiliza reţele de turnare clasice. Faţã de procedeele de turnare “clasice“ în forme temporare, acest procedeu de turnare cu modele gazificabile din polistiren prezintã urmãtoarele avantaje: 1) Nu apar bavuri în special în planul de separaţie, datoritã absenţei

acestuia, modelele fiind monobloc; 2) Lipsa mãrcilor de centrar, ceea ce micşoreazã toleranţa dimensionalã şi

de poziţie ; 3) Se eliminã operaţia de demulare; 4) Eliminã lemnul din modelarii, scãzând costurile de fabricaţie; 5) Dispare operaţia de întãrire a formei; 6) Procedeul se preteazã la automatizare. Având în vedere faptul cã fenomenele şi legile proprii ale acestui procedeu diferã de cele ale celorlalte procedee tehnologice de turnare, procedeul poate fi asimilat în categoria celor neconvenţionale.

52

2.7. Turnarea în forme durabile (metalice)

Formele permanente sunt confecţionate din materiale durabile, care permit utilizarea formei de mai multe ori, fãrã recondiţionãri.. Ele sunt confecţionate din materiale metalice, refractare ceramice. Cel mai frecvent ele sunt confecţionate din fontã cenuşie sau perliticã. În raport cu turnarea în forme temporare, turnarea în forme durabile prezintă următoarele particularitãţi: Avantaje

îmbunătăţeşte caracteristicile mecanice ale pieselor turnate cu 10 - 30 %;

îmbunătăţeşte precizia dimensională şi calitatea suprafeţelor turnate;

reduce cu 50 - 60% manopera de formare; reduce consumul de materiale de formare; asigură condiţii mai bune de lucru; se reduce adaosul de prelucrare;

Dezavantaje

cost ridicat al formelor; conductivitate termică ridicată a formei, ceea ce duce la

îngheţarea rapidă a metalului; Din punct de vedere economic procedeul se justifică numai la producţia de serie mare. Din punct de vedere tehnologic există următoarele probleme :

evacuarea aerului şi a gazelor din formă (se construiesc canale de aerisire şi răsuflatori);

asigurarea unei corelaţii între temperatura de topire a materialului care se toarnă şi temperatura de topire a materialului formei;

evitarea reacţiilor chimice între topiturã şi formã;

2.7.1. Turnarea în cochilã Cochilele sunt forme metalice în care se introduce metalul lichid exclusiv sub acţiunea forţelor gravitaţionale. Cochilele pot avea unul sau mai multe plane de separaţie. Prin acest procedeu se pot turna şi piese cu configuraţie interioară folosind miezuri metalice. Alimentarea cu metal lichid a cochilelor se asigură printr-o reţea de

53

turnare plasată în planul de separaţie. Pentru evacuarea gazelor sunt prevăzute canale de aerisire cu diametrul de 0,2 - 0,5 mm. Principalele faze ale turnării în cochilã sunt :

1. Pregătirea cochilei. Se asamblează cochilia, eventual cu miezuri şi se acoperă suprafeţele care intră în contact cu metalul lichid cu un strat de material refractar de 0,1 - 2 mm. Se folosesc grafitul, argila, uleiurile minerale, etc. Se preîncălzeşte cochilia la 375 - 725 °K pentru eliminarea vaporilor de apă. În plus se urmăreşte micşorarea vitezei de răcire a metalului.

2. Turnarea metalului lichid. 3. Constituirea piesei turnate. 4. Dezbaterea prin dezmembrarea cochilei. 5. Îndepartarea reţelei de turnare.

În producţia de serie mare turnarea în cochilie se poate realiza mecanizat. Pentru eliminarea unuia dintre defectele principale - dificultatea de a obţine piese cu pereţi subţiri - se recurge la presarea materialului lichid în cavitatea formei. Se combinã astfel turnarea în cochilie cu matriţare. Este de fapt o variantã înruditã cu turnarea sub presiune.

2.8 Turnarea sub presiune La turnarea pieselor mici, cu pereti subţiri, complexe, pentru a evita îngheţarea materialului topit în formă, se recurge la presarea acestuia sub acţiunea unei forţe exterioare. Pentru învingerea rezistenţei opuse curgerii metalului lichid în reţeaua de turnare se aplică presiuni de până la 5 000 atmosfere. Viteza de alimentare a matriţei cu metal lichid variază de la 0,5 m/s la 150 m/s. Una dintre problemele tehnologice ale procedeului constă în eliminarea porilor (mai nou s-a încercat vidarea cavitãţii matriţei). Matriţele se confecţionează din oţeluri aliate. Maşinile folosite sunt din familia preselor hidraulice (orizontale sau verticale). Matriţa este caldă ca şi camera de compresie (uneori poate fi şi rece). Dozarea materialului se face prin cantitatea de metal lichid cu care se alimentează matriţa. Dezbaterea se face automat cu aruncător. Dozarea corectã a metalului lichid este absolut necesarã, deoarece incorecta dozare poate conduce fie la obţinerea unei piese incomplet turnate (metal lichid insuficient) fie la obţinerea unei bavuri foarte mari în planul de separaţie (cantitate prea mare de metal lichi).

54

Fig. 2.15. Instalaţie de turnare sub presiune cu piston vertical

Avantaje productivitate mare; posibilitatea automatizării; precizie dimensională şi calitatea suprafeţei; se elimină prelucrările mecanice ulterioare.

Dezavantaje se aplică la serie mare; costuri mari ale matriţei.

2. 9 Turnarea în forme metalice în mişcare de rotaţie (turnarea centrifugală)

Procedeul se caracterizează prin faptul că în timpul turnării şi solidificării metalului, forma de turnare este antrenată în mişcare de rotaţie în jurul unei axe verticale sau orizontale. Există posibilitatea ca prin rotirea suficient de rapidă a formei, combinată cu răcirea metalului lichid, să se obţină un corp cilindric tubular, având o grosime uniformă a peretelui. Prin acest procedeu se toarnă piese de revoluţie cu înălţime mică şi diametru mare. De asemeni se pot turna piese mici în afara axei de rotaţie. Piesele obţinute prin acest procedeu tehnologic sunt compacte fără defecte de turnare. În cazul rotaţiei în jurul unei axe orizontale a unei forme parţial umplute cu metal lichid se pot distinge trei situaţii caracteristice în funcţie de turaţia “n”:

55

n=n1 metalul lichid este imobil; n=n2>n1 metalul lichid este antrenat prin frecare de către forma în rotaţie;

n=n3>n2 metalul este supus mişcãrii de rotaţie împreună cu forma de turnare tubulară;

Fig. 2.16. Schema turnãrii centrifugale cu ax vertical Turnarea centrifugală cu ax orizontal se aplică la obţinerea pieselor tubulare cu lungimi mari şi grosimi mari, de tip bucşe. Formele de turnare folosite sunt metalice dar pot fi căptuşite cu amestec de formare. Cele necăptuşite se protejează prin acoperire cu vopsele refractare. Dezbaterea pieselor este posibilă datorită conicităţii interioare a formei. Turnarea se face în forme încălzite. Principala problemã tehnologicã este cea a dozãrii materialului, dozajul fiind singurul mod de a asigura grosimea doritã a peretelui piesei turnate. Avantaje

economie de amestecuri de miez ; economie de metal prin eliminarea reţelei de turnare;

56

compactitate şi proprietăţi mecanice superioare; productivitate a muncii mare;

Dezavantaje

adaosuri de prelucrare mari; cochilã scumpă;

2.10. Turnarea continuă Spre deosebire de toate procedeele de turnare prezentate anterior la turnarea continuă introducerea de metal lichid în cavitatea formei şi extragerea piesei turnate se efectuează simultan fără întrerupere. Aceasta este un procedeu tehnologic de mare productivitate prin care se obţin piese de lungimi mari în raport cu secţiunea , cum ar fi barele şi ţevile. Instalaţiile pentru turnare continuă au ca element esenţial cristalizorul. Aceasta este o formă metalică cu pereţi subţiri, răcită intens prin circulaţia apei. Cavitatea formei se obturează cu o placă, care prin construcţia ei va constitui un dispozitiv de prindere al capătului solidificat al produsului. Metalul lichid se solidifică în contact cu pereţii răciţi forţat. După solidificare el este tras prin intermediul plăcii de bază şi al unui sistem de role care-i imprimă o mişcare continuă cu o viteză corespunzătoare. Problema principală o constituie corelarea vitezei de răcire cu cea de tragere. Cristalizorul se construieşte din cupru şi se acoperă cu grafit pe suprafeţele active. Procedeul se aplică mai ales la obţinerea semifabricatelor din aliaje neferoase. Datorită tensiunilor interne mari ce sunt introduse de regimul de răcire forţată se impune aplicarea unui tratament termic de detensionare.

57

1 = cristalizor; 2 = cavitatea formei; 3 = placã de bazã; 4 = role antrenare;

5 = piesã turnatã. Fig.2.17. Schema de obţinere a pieselor prin turnare continuã

2.11. Defectele pieselor turnate şi remedierea lor Prin defect al unei piese turnate se înţelege orice abatere de la:

- forma, - dimensiunile,

- - masa, - - aspectul exterior, - - compactitatea, - - structura, - - compozitia chimică, - - proprietăţiile fizico-chimice ale aliajelor turnate. - Defectele de turnare sunt provocate de nerespectarea

tehnologiilor de turnare, de utilizarea unor materiale necorespunzãtoare, de alegerea nejudicioasã a procedeului de turnare. Ele se datoreazã fenomenelor care însoţesc elaborarea şi solidificarea metalelor.

58

Conform STAS 782-79 defectele pieselor turnate se simbolizează printr-un caracter alfanumeric format dintr-o literă şi trei cifre.

Litera indică categoria de bază a defectului. Prima cifră indică grupa defectului. A doua cifră indică subgrupa defectului, iar a treia cifră este specifică fiecărui defect.

De exemplu B122 este simbolul suflurilor de colţ. Clasificare :

A= excrescenţe metalice; B= goluri; C= discontinuităţi, crăpături; D= defecte de suprafaţă; E= piesa turnată incomplet; F= dimensiuni sau configuraţii necorespunzătoare; G= incluziuni şi defecte de structură; H= compoziţia chimică,proprietăţi chimice şi

mecanice necorespunzătoare.

Metode de remediere se împart, conform STAS, în 3 categorii.

1. Metode de remediere cu materiale metalice a pieselor turnate din fontă şi aliajelor neferoase grele. 2. Metode de remediere cu materiale feroase şi condiţii impuse pentru piesele turnate din oţel. 3. Remedierea pieselor turnate cu materiale nemetalice. Printre metodele de remediere enumerăm: metalizarea, supraturnarea, sudarea, lipirea tare, doparea, bucşarea, pastilarea, împregnarea, chituirea.

59

CAPITOLUL 3.

PRELUCRAREA PRIN DEFORMARE PLASTICĂ A MATERIALELOR METALICE

3.1. Generalitãţi 3.1.1. Noţiuni introductive

Deformarea plastică este o metodă de prelucrare a materialelor metalice prin care, în scopul obţinerii unor piese finite sau semifabricate, se produce deformarea permanentă a materialelor în stare solidă (la cald sau la rece) fără fisurare micro sau macroscopică. Principiul fizic al metodei Atunci când tensiunile din materialul metalic depãşesc limita de curgere, în materialul supus acestor tensiuni apar deformaţii permanente. Avantaje

proprietăţi mecanice îmbunătăţite datorită unei structuri omogene şi mai dense ;

consum minim de materiale (coeficient de utilizare al materialului foarte bun);

precizie mare de prelucrare (mai ales la deformare plastică la rece);

posibilitatea obţinerii unor forme complexe cu un număr minim de operaţii şi manoperă redusă;

posibilitate de automatizare (linii de automatizare + celule flexibile de fabricaţie );

Dezavantaje investiţii iniţiale mari în ceea ce privesc utilajele şi sculele

folosite; necesitatea unor forţe mari pentru deformare;

După temperatura la care are loc deformarea distingem : - deformare plastică la cald; - deformare plastică la rece; Deformarea se consideră plastică dacă eforturile unitare datorate forţelor de prelucrare tehnologică sunt peste limita de curgere convenţională (efortul unitar căruia îi corespunde o deformare remanentă de 0,2% ,σ 0,2 ). Mecanismele intime ale deformaţiilor plastice se realizaeză prin: Întărirea (Ecruisarea) este ansamblul fenomenelor legate de modificarea proprietăţilor mecanice, fizice, ale metalelor în procesul de deformare plastică la rece. Fenomenul apare numai în cazul deformãrilor plastice la rece. El se manifestã prin creşterea rezistenţei la rupere şi a duritãţii, concomitent cu scãderea proprietãţilor care definesc plasticitatea materialului. Structura se modificã şi ea, forma grãunţilor devenind alungitã.

60

Întărirea se poate interpreta ca fiind datorată acumulării deformaţiilor elastice (a energiei de deformare) care crează o stare de tensiune care îngreunează procesul deformărilor plastice.

a-structurã iniţialã; b-structurã ecruisatã; c-structurã recristalizatã.

Fig. 3.1 Structurã ecruisatã

O altã cauză a întăririi este creşterea frânării mişcării dislocaţiilor odată cu creşterea gradului de deformare. Mecanismul deformării la cald are loc ca şi în cazul deformării la rece prin alunecare şi maclare. Constituie o stare la care mărirea gradului de deformare este mică sau imposibilã. Pentru a impiedica apariţia timpurie a acestei stări şi pentru a uşura procesul de deformare plastică se procedează la încălzirea materialelor. Practic deformarea plasticã devine imposibilã dupã momentul apariţiei ecruisãrii. Alunecarea este deplasarea straturilor subţiri ale cristalului unele faţă de altele. Alunecarea se produce de-a lungul unor plane de densitate atomica maximă, distanţa între două plane fiind de aproximativ 1 μm. Deformarea plastică a policristalelor se compune din deformarea cristalelor şi din deformarea substanţei intercristaline. Deformarea grăunţilor în policristal începe cu planurile grăunţilor care sunt orientaţi favorabil faţă de axa eforturilor unitare. Maclarea - este fenomenul de reorientare a unei părţi dintr-un cristal în raport cu restul, de-a lungul unui plan numit plan de maclare. Partea rotită a cristalului se numeşte maclă. Apare la viteze de deformare mari. Procesul se realizează instantaneu sub acţiunea unor forţe tangenţiale mai mici decât cele de alunecare. Ca urmare a deformãrii plastice metalele şi aliajele îşi modificã unele proprietãţi faţã de structurile turnate. Astfel rezistenţa la rupere şi duritatea cresc, plasticitatea cuantificatã prin alungirea la rupere şi gâturea la rupere, scade. Unele proprietãţi tehnologice (turnabilitate, cãlibilitate) cresc, iar altele

61

(deformabilitate, uzinabiltate, sudabilitate) scad o datã cu creşterea gradului de deformare. Orientarea fibrelor se modificã prin deformare plastică. In plan practic, trebuie sã ţinem cont de aceste modificãri, în sensul cã eforturile de întindere şi compresiune trebuie sã coincidã cu direcţia fibrelor, iar eforturile tangenţiale trebuie sã fie perpendiculare pe direcţia fibrelor. Ideal ar fi ca fibrele sã înfãşoare conturul piesei.

a-repere obţinute prin aşchiere cu direcţia fibrelor necorespunzãtor orientatã faţã

de axa eforturilor; b- repere obţinute prin deformare plasticã cu direcţia fibrelor corespunzãtor

orientatã faţã de axa eforturilor; Fig. 3.2 Orientarea fibrelor la diferite repere

3.1.2. Influenţa temperaturii asupra deformării plastice Prin încălzirea materialelor metalice se produc fenomenele de revenire şi recristalizare. Revenirea - este fenomenul de înlăturare a tensiunilor reţelei şi mărirea plasticităţii materialului, fără a produce nici o modificare a microstructurii (0,2tt

62

< tr < 0,4tt, unde tt reprezintă temperatura de topire şi tr reprezintă temperatura de recristalizare).

Prin încălzire mobilitatea atomilor creşte, constatându-se o mărire a fenomenului de difuzie determinată de deplasarea atomilor în vacanţe şi interstiţii, stare care duce în final la eliminarea tensiunilor interne. Recristalizarea - Are loc în stare solidă şi constă în reorganizarea reţelei cristaline deformate şi apariţia unor noi centre de cristalizare. Prin recristalizare se elimină complet tensiunile interne, micşorându-se duritatea, rezistenţa la deformare şi mărindu-se plasticitatea. In cazul metalelor pure, recristalizarea are loc la o temperaturã Trc = 0,40 Ttop. Temperatura de recristalizare creşte odatã cu creşterea gradului de aliere, ajungând la 450...6000C la oţelurile carbon şi 600...8000C la oţelurile aliate.

3.1.3. Influenţa temperaturii asupra rezistenţei la deformare şi a plasticităţii

Creşterea temperaturii provoacă schimbări esenţiale ale caracteristicilor de rezistenţă ale metalelor. Rezistenţa la deformare scade spectaculos odată cu creşterea temperaturii, datorită următoarelor fenomene:

la temperaturi mari creşte amplitudinea oscilaţiilor atomilor datorită creşterii energiei lor potenţiale. Atomii trec mai uşor dintr-o poziţie de echilibru în alta;

la temperaturi mari rezistenţa la deformare scade mult, deplasarea şi orientarea grăunţilor devine mai uşoară astfel încât deformarea se poate face la eforturi mai mici;

Parametrii care definesc încălzirea sunt: - viteza de încălzire (temperatura de încălzire raportată la

timpul de atingere al acesteia); - viteza de răcire (temperatura de răcire raportată la timpul

de atingere al acesteia); - durata menţinerii la temperatura palierului;

3.1.4. Zone de temperatură la deformarea plastică la cald

În funcţie de influenţa reciprocă a fenomenelor ce au loc la deformarea la cald (întărire, revenire, recristalizare) se deosebesc următoarele faze:

deformare plastică la rece : td< 0,2 tt (acţionează ecruisarea); deformare incompletă la rece : 0,2tt < td < 0,4tt ; Apare fenomenul

de ecruisare şi cel de revenire. Este caracteristic prelucrării cu viteze mari de deformare.

63

deformare incompletă la cald 0,4tt < td < 0,6tt; Deformarea se caracterizează prin acţiunea completă a fenomenului de revenire şi incompletă a fenomenului de recristalizare. Datorită neomogenităţii grăunţilor, materialul este puternic tensionat ceea ce duce la apariţia fisurilor.

deformare la cald - se caracterizeazã prin lipsa efectelor întăririi după prelucrare şi printr-o structură fină şi omogenă a materialului metalic ca urmare a acţiunii complete a revenirii şi recristalizării.

Rezistenţa la deformare la cald este foarte mică, 1

10 din cea la rece,

iar plasticitatea este mare (0,6tt < td < 0,85tt ). Pentru 0,85tt < td se constată supraîncălzirea şi tendinţa de ardere.

TT – temperatura de topire; Trc-temperatura de recristalizare; Tid-temperatura de început de deformare plasticã; Tsd- temperatura de sfârşit de deformare plasticã;

Fig. 3.3 Alegerea corectã a intervalului de temperaturã în care se face deformarea plasticã

64

3.1.5.1. Legile deformãrii plastice

Aceste legi sunt valabile atât la deformarea plastică la cald cât şi la rece.

1. Legea volumului constant. Volumul semifabricatului supus deformãrii plastice (la cald sau la rece) este egal cu volumul piesei finite.

Facând abstracţie de micile variaţii de volum prin îndesare sau pierderi de oxizi, putem considera cã volumul piesei finite obţinut prin deformare plasticã este egal cu volumul semifabricatului. Aceastã lege este foarte importanta în practica, ea permiţând calculul volumului semifabricatului supus deformarii plastice.

2. Legea prezenţei deformaţiilor elastice în timpul deformărilor plastice.

ε ε ε= +e p Deformarea plastică este întotdeauna însoţită de o deformare elastică. Nu putem ajunge în zona de plasticitate fără să trecem prin cea de elasticitate. (Hooke). Conform acestei legi, dupa prelucrarea prin deformare plastica la rece apare o tendinţă de relaxare a materialului. Solicitarea încetând , încetează deformarea elastica, ceea ce produce “relaxarea“ materialului, ramănând numai deformarea plastică. De efectele acestei legi se tine cont la proiectarea unor scule pentru deformare plastica, ca de exemplu matritele de tragere şi extrudare care au intotdeauna un con de ieşire.

3. Legea rezistenţei minime. Această lege are mai multe formulări: Orice formă a secţiunii transversale a unui corp supus

deformării plastice prin refulare în prezenţa frecării pe suprafaţa de contact tinde să ia forma care are perimetrul minim la suprafaţa dată ; la limită tinde către cerc.

Deplasarea punctelor corpului pe suprafaţa perpendiculară pe direcţia forţelor exterioare are loc după normala cea mai scurtă dusă la perimetrul secţiunii. Deplasarea maximă se va produce în acea direcţie în care se va deplasa cea mai mare cantitate de material.

65

4. Legea apariţiei şi echilibrării eforturilor interioare suplimentare. La orice schimbare a formei unui corp policristalin aflat în stare plastică

apar în interiorul materialului eforturi suplimentare care se opun deformării relative şi care tind să se echilibreze reciproc.

Eforturile suplimentare apar datorită frecărilor de contact dintre sculă şi semifabricat, neomogenitãţii compoziţiei chimice, proprietăţilor mecanice, etc.

Eforturile unitare produse şi rămase în piesa prelucrată se pot adauga eforturilor unitare ce apar în timpul funcţionării, ceea ce poate produce fisuri sau distrugerea piesei.

Pentru evitarea apariţiei eforturilor suplimentare se vor reduce frecările între suprafaţa materialului deformat şi suprafaţa activă a sculei.

5. Legea similitudinii. Pentru aceleaşi condiţii de deformare a două corpuri geometrice asemenea care au mărimi diferite, presiunile specifice de deformare sunt egale între ele, raportul forţelor de deformare fiind egal cu pătratul raportului mărimilor liniare (raportul de asemănare).

Legea este valabilă când ambele corpuri au aceleasi faze structurale, aceeaşi stare chimică şi aceleaşi caracteristici mecanice, iar temperatura corpului la începutul deformării este aceeaşi. Legea similitudinii se aplică în cercetările experimentale care în cazul structurilor mari se efectuează pe structuri mai mici, la scară.

3.1.5.2. Încălzirea materialelor metalice pentru deformare plastică Prin încălzirea semifabricatului pentru deformare plastică se urmăreşte:

micşorarea limitei de curgere; reducerea tensiunilor interne (prin revenire şi recristalizare); omogenizarea structurii.

O încălzire corectă se asigură prin: scurtarea timpului de încălzire până la atingerea td

(temperatura de deformare); asigurarea unei încălziri uniforme; reducerea arderilor şi decarburărilor;

Valorile superioare sunt limitate de apariţia oxidării. Limita inferioară se stabileşte în funcţie de natura materialului. Din punct de vedere termic în procesul de deformare plastică la cald se disting trei stadii.:

66

stadiul încălzirii de la 0 - tid (temperatura de început de deformare);

stadiul deformării propriu-zise tid - tsd (temperatura de sfârşit de deformare);

stadiul de răcire; Cuptoarele în care se realizeazã încãlzirea sunt variate din punct de

vedere al formelor, dimensiunilor şi al principiului de funcţionare. Ele se clasificã astfel :

a) 1.cu funcţionare intermitentă; 2.cu funcţionare continuă.

b) 1. electrice; 2. cu flacără;

c) 1. în atmosfera obişnuită 2. în atmosfera controlată.

d) 1. Normale; 2. Adânci.

67

3.2. LAMINAREA

3.2.1. Generalităţi. Laminarea este procedeul tehnologic de prelucrare prin deformare plastică (la cald sau la rece) caracterizat prin aceea cã materialul este obligat să treacă forţat printre doi cilindri aflaţi în mişcare de rotaţie. Utilajul se numeşte laminor, iar procedeul laminare. Produsul rezultat este denumit laminat. Laminatele au secţiunea transversalã constantã. La laminare dimensiunile materialului se reduc în direcţia apăsării şi cresc în celelalte direcţii (volumul rămãnând constant). Materialul laminat are o structura omogenă cu grăunţi alungiţi şi ordonaţi după direcţia de laminare.

1-grãunţi iniţiali; 2- grãunţi deformaţi; 3- grãunţi recristalizaţi;

Fig. 3.4 Modificarea structurii materialului laminat Laminarea se poate efectua între doi cilindri netezi ca în cazul produselor plate sau cu canale inelare numite calibre, practicate în corpul cilindrilor , în zona de lucru pentru prelucrarea profilelor. Pentru cazul cel mai răspândit al laminãrii longitudinale, cilindrii au sensuri diferite de rotaţie, axele cilindrilor fiind paralele.

68

Atunci când se doreşte obţinerea unor produse cu secţiune constantã şi lungime mare, laminarea este soluţia tehnologicã. Ca semifabricate iniţiale se folosesc lingouri turnate, bare turnate continuu. Aproximativ 90% din producţia mondială de oţel este supusă laminării. Principalele scheme de laminare sunt:

1. Laminare longitudinală.

Figura 3.5. Schema laminãrii longitudinale 2. Laminare transversală. 3. Laminare elicoidală.

După direcţia de laminare, acestea se clasifică astfel : 1) Laminare longitudinală – de-a lungul dimensiunii maxime. 2) Laminare transversală. 3) Laminare tangenţială – utilizată pentru obţinerea unor piese

inelare de tipul bandajelor pentru roţile de cale ferată. 4) Laminare elicoidală – pentru laminarea ţevilor.

Pentru a se realiza un anumit grad de deformare se execută de obicei mai multe treceri succesive ale semifabricatului printre cilindri, după micşorarea distanţei dintre ei. Elementele geometrice ale laminării şi forţele de laminare sunt redate în figura 3.6.

69

αc = unghiul de contact; h0=dimensiune semifabricat; h1=dimensiune produs

finit Fig. 3.6. Elementele laminãrii

Prin laminare se obţin repere având următoarele rugozităţi :

- laminare la cald : Ra = (12,5 – 50) μm - laminare la rece : Ra = (6,3 – 0,2) μm

3.2.2. Bazele teoretice ale laminării În procesul de deformare plastică prin laminare se disting trei stadii:

1. Stadiul prinderii materialului de către cilindrii laminorului. 2. Stadiul laminării propriu-zise. 3. Stadiul de ieşire al materialului laminat dintre cilindrii

laminorului.

3.2.3. Forţele care apar în zona de deformare. Condiţia laminării. Între cilindri de lucru şi semifabricat în zona de contact acţionează două forţe principale:

1. Forţa radială de apăsare N, cu componentele ei No şi Nv ; 2. Forţa tangenţială de antrenare (frecare) cu componentele To şi

Tv ; Componenta orizontala a forţei de frecare To produce antrenarea materialului între cilindri. Componenta verticală Nv a forţei de apăsare se numeşte forţa de laminare şi produce deformarea materialului.

70

N NN NT TT T

O

V

O

V

= ⋅= ⋅= ⋅= ⋅

sincos

sincos

αα

αα

Greutatea cilindrilor se neglijează, iar „f” reprezintă coeficientul de frecare dintre cilindrii şi semifabricat. Pentru ca laminarea să fie posibilă este necesar ca să avem pentru componenta orizontalã urmãtoarele condiţii :

R T NT N

T N

T f Nf N Ndar f tgf tg

O O O

O O

= − >>

⋅ > ⋅

= ⋅⋅ ⋅ > ⋅→ =

>

0

cos sin

cos sin

α α

α αϕ

α

- unde ϕ este unghiul de frecare; - unde α este unghiul de atac; pentru ca laminarea sa fie posibilă este necesar deci ca unghiul de frecare să fie mai mare decât unghiul de atac adica tg tga ϕ α ϕ α> ⇒ > Valorile coeficientului de frecare f sunt de : f=0,20 … 0,70 pentru oţel laminat la cald şi f=0,03 … 0,12 pentru oţel laminat la rece.

3.2.4. Avansul şi întârzierea în zona de deformare Zona de deformare poate fi împărţită în trei părti distincte, din punct de vedere al raportului dintre viteza periferică a cilindrilor „vpc” şi viteza semifabricatului „vsf”:

I. zona de întârziere a vitezei semifabricatului faţă de viteza periferică a cilindrilor (vpc > vsf);

II. zona de avans a vitezei semifabricatului faţă de viteza periferică a cilindrilor (vpc < vsf);

III. zona neutră sau a vitezelor egale (vpc = vsf);

71

Fig. 3.7. Avansul şi întârzierea în zona de laminare.

3.2.5. Calibrarea cilindrilor de laminor

Calibrul reprezintã ansamblul format din două caneluri opuse executate pe o pereche de cilindri şi care corespunde cu forma produsului pe care dorim să-l obţinem prin laminare. Prin calibrare se înţelege calculul şi construcţia formelor secţiunilor succesive ale calibrelor astfel ca plecând de la secţiunea iniţială a semifabricatului să se ajungă la produsul finit prin laminãri succesive. Prin calibrare se urmăreşte obţinerea unor produse fără defecte şi dintr-un număr minim de treceri. Tipuri de calibre:

1. Calibre de degroşare; 2. Calibre de pregătire; 3. Calibre de finisare;

Dupa construcţia lor ele pot fi: a) complet deschise; b) parţial închise; c) cu deschideri mixte.

După deschidere: a-deschise; b-închise;

72

a-barã rotundã; b-barã pãtratã; c-cornier cu aripi egale; d-profil „I”; e-profil şinã cale feratã.

I, II-calibre degroşare; III-calibru pregãtitor; IV,V-calibru presinisor; VI-calibru finisor; VII-profil produs finit.

Fig. 3.8 Schema de principiu a unor sisteme de calibrare

73

1-semifabricat; 2,3-cilindri laminori; 4-cadru susţinere; 5-dispozitiv reglare; 6-bare cuplare cardanice; 7-dispozitiv reglare turaţie; 8,11- roţi dinţate; 9,12-cuplaj; 10-reductor; 13-motor electric asincron.

Fig. 3.9 Schema de principiu a unei caje de laminare Mai multe caje alcătuiesc un tren de laminare. 3.26 Tipuri de laminare

Laminoarele se clasificã astfel: 1. După metalul sau aliajul prelucrat :

a) Laminor pentru prelucrarea oţelurilor; b) Laminor pentru prelucrarea aliajelor de cupru; c) Laminor pentru prelucrarea aliajelor de zinc.

2. După temperatura de lucru : a) Laminoare pentru prelucrare la cald; b) Laminoare pentru prelucrare la rece.

3. După sensul de rotaţie al cilindrilor : a) Laminoare ireversibile ( într-un singur sens ); b) Laminoare reversibile ( în ambele sensuri ).

4. După dispunerea cilindrilor : a) Laminoare orizontale; b) Laminoare verticale; c) Laminoare oblice;

5. După numărul de caje : a) Laminoare cu o cajă; b) Laminoare cu mai multe caje.

74

6. După natura operaţiei:

a) Laminoare de degroşare; b) Laminoare de finisare.

3.2.7. Tehnologia laminării

Materialele care se laminează sunt lingouri (de diferite forme şi mărimi) sau alte semifabricate obţinute prin forjare sau prin laminări anterioare. Etapele procesului de laminare la cald sunt :

1. Pregãtirea tehnologicã a fabricaţiei. 2. Alegerea şi pregătirea semifabricatului. Lingourile se curăţă de

retasuri, iar celelalte semifabricate se debitează la dimensiunile necesare.

3. Încălzirea. 4. Laminarea propriu-zisă. Calibrele sunt alese astfel încât

semifabricatul să se lamineze la forma finală la o singură încălzire, respectând domeniul optim al temperaturii de deformare (pentru oţel 1100 - 1600 0 K).

5. Tratament termic final; 6. După laminare se taie produsul la dimensiunile prescrise şi se

curãţã. 7. Control tehnic de calitate.

Figura 3.10 Scheme de laminare.

Etapele laminării la rece sunt:

75

1. Debitarea semifabricatului obţinut prin laminare la cald;

2. Curăţirea suprafeţei; 3. Laminarea propriu-zisă; 4. Tăiere la dimensiuni; 5. Tratament termic; 6. Control tehnic de calitate.

Exemple de repere care se obţin prin laminare : piese lungi de secţiune constantă (şine de cale ferată şi orice alt tip de profil);

table; ţevi; axe, roţi, bandaje;

3.2.8. Laminarea ţevilor

Ţevile şi conductele pot fi clasificate în funcţie de metoda de obţinere ca fiind fără cusătură sau sudate. În afara procedeului de laminare, ţevile se mai pot obţine şi prin sudare fie pe generatoare, fie elicoidal. Ţevile fără cusătură se produc prin laminare (cel mai economic procedeu) prin metoda Mannesmann şi reprezintã cea mai productiva metodã de obţinere a acestora. Obţinerea ţevilor prin laminare are douã etape importante:

- obţinerea unor ţevi brute, denumite „eboş”; - prelucrarea prin laminare de finisare a eboşului în vederea

obţinerii produsului finit. Prin laminare al cald se obţin ţevi cu diametrul cuprins între 20 şi 700mm şi grosimea peretelui de 1,5....60mm. Cilindrii au dublă conicitate şi se rotesc în acelaşi sens. Se introduce

semifabricatul Incălzit. Datorită lh

c

m< 1 materialul în rotaţie este deformat

numai la suprafaţă, în interior luând naştere un orificiu conic. Pentru uniformizarea găurii şi a pereţilor se folosesc dornuri de netezire.

76

Fig. 3.11 Perforarea la laminorul cu cilindrii bitronconici

1-ţeavã eboş; 2-cilindrii calibraţi; 3-dop; 4-ţeavã laminatã; Vlam-viteza de

laminare. Fig. 3.12 Laminarea ţevilor

77

3.3. TRAGEREA MATERIALELOR METALICE

3.3.1. Principiul tragerii

Tragerea este procedeul de deformare plastică a materialelor sub acţiunea unei forţe de tracţiune pentru obţinerea barelor, sârmelor sau a ţevilor , prin trecerea forţată a unui material ductil printr-o matriţă a cărei secţiune este mai mică decât secţiunea iniţială a materialului. Procedeul aplicat la tragerea sârmelor se numeşte trefilare, iar matriţa se numeşte filieră. Valoarea reducerii de secţiune este cuprinsă între 10 şi 45%, putând ajunge până la 95 %.

1-semifabricatul; 2-matriţa; 3-suport portsculã; 4-produs tras; 5-dispozitiv

tragere; Fig. 3.13 Schema de principiu a tragerii

Procedeul prezintã urmãtoarele avantaje, faţã de alte procedee de deformare plasticã:

- conduce la obţinerea unor produse cu o precizie dimensionalã şi calitate a suprafeţei deosebitã;

78

- permite obţinerea în condiţii de eficienţã economicã şi precizie dimensionale a unor produse greu de obţinut prin alte procedee de deformare plasticã.

3.3.2. Bazele teoretice ale tragerii

3.3.2.1. Calculul preliminar A0, l0, d0 - dimensiunile iniţiale ale semifabricatului; A1, l1, d1 - dimensiunile finale ale produsului rezultat prin tragere; Reducerea de secţiune absolută se exprimă prin relaţia: Δa A A= −0 1

Reducerea de secţiune relativă se exprimă prin relaţia: ΔrA A

A=

−0 1

0

Reducerea procentuală de secţiune se exprimă prin relaţia: ΔpA A

A=

−⋅0 1

0100

Reducerea absolută este dată de relaţia : λa l l= −0 1

Reducerea relativă este dată de relaţia : λr

l ll

=−0 1

0

Reducerea procentuală este dată de relaţia : λp

l ll

=−

⋅0 1

0100

Coeficientul de reducere a secţiunii este dat de relaţia: kAA

= 1

0

La tragere modificarea secţiunii semifabricatului se produce sub acţiunea forţelor transversale exercitate de pereţii filierei (matriţei). Pe măsură ce materialul avansează în filieră întreaga masă a semifabricatului suferă o deformare plastică sub acţiunea forţelor de compresiune care iau naştere prin tragere. La ieşirea din filieră materialul este întărit şi va trebui tratat termic (recoacere). Expresia forţei de tragere este dată de relaţia (determinată experimental)

: ( ) [ ]F C A A daNm= ⋅ ⋅ −σ 0 1

unde: - F = forţa de tragere; - σ m = rezistenţa medie de deformare; - C = constantă în funcţie de coeficientul de frecare între metal şi filieră şi unghiul deschiderii 2α .

79

3.3.2.2. Calculul numărului de treceri

Se consideră o secţiune într-o filieră în dreptul conului de deformare şi se observă două secţiuni:

A1 în care metalul este puternic supus compresiunii şi A2 în care materialul este supus tracţiunii

Fig. 3.14. Secţiune printr-o filierã în dreptul conului de formare

Pe suprafaţa A1 :

( )F d dC C= −π

σ4 0

212

Pe suprafaţa A2 :

F dt t=π

σ4 1

2

Pentru ca tragerea să fie posibilă este necesar ca: F Fsi

t C

t C

>

<σ σ

80

Din condiţia limită se obţine :

( )( )

πσ

πσ

σ σ σ

σσ σ

4 412

02

12

12

02

12

02

d d d

d d

dd

k

t C

t C C

C

t C

= −

+ =

=+

=

unde k <1, reprezintă coeficientul de tragere.

Cu ajutorul lui k se poate calcula numărul de treceri necesar pentru a se ajunge de la diametrul d0 la dn atunci când reducerea totală este mai mare decât 45%.

kdd

d k d

d k

=

= ⋅

= ⋅

12

02

12

02

1 0d

deci

( ) ( ) ( )

( ) ( )( )k

ddn

decidknd

aritmamdkdkd

dkdkd

dkd

n

n

nnn

lnlnln

lnlnlnlog

0

0

01

02

12

01

−=

+⋅=

⋅=⋅=

•••

⋅=⋅=

⋅=

−

3.2.3. Factorii care influenţează tragerea

Factorii care influenţează tragerea sunt :

81

1. viteza de tragere (pentru oţeluri este de 90-120 m/min, iar pentru cupru 150-300m/min);

2. materialul sculei; 3. caracteristicile de formă ale sculei; 4. lubrefiantul folosit; 5. gradul de tensionare al materialului semifabricat; 6. calitatea suprafeţei semifabricatului;

Prin tragerea la rece se realizează o puternică ecruisare a materialului care duce la creşterea rezistenţei la rupere la tracţiune şi la scăderea alungirii la rupere şi a gâtuirii Z, iar sudabilitatea materialului scade şi ea. Cu cât gradul de deformare este mai mare cu atât modificarea proprietăţilor este mai accentuată. Pentru înlăturarea efectelor negative ale tragerii se recomandă executarea unui tratament termic de recoacere.

3.3.3 Filiera Se cunoaşte că principala sculă folosită în procesul de tragere este filiera, de ea depinzând atât calitatea produsului tras cât şi randamentul maşinii. Durabilitatea unei filiere depinde de materialul din care este confecţionată şi de tehnologia de execuţie a orificiului filierei. Zonele orificiului filierei sunt:

1. conul de prindere ; 2. con de ungere; 3. con de deformare; 4. cilindru de calibrare; 5. con de degajare; 6. con de ieşire;

La ieşirea din cilindrul de calibrare, materialul suferă o revenire elastică motiv pentru care se execută conurile de degajare şi ieşire, pentru a împiedica ruperea materialului. Dacă semifabricatul iniţial este mai mare decât 10 mm atunci scula pentru tragere se numeşte matriţă. Duritatea suprafeţei orificiului de tragere este de 60 … 65 HRC.

82

Fig.3.15. Filiera

Fig. 3.16 Matriţa de tragere

Maşinile de tras se clasifică după următoarele criterii:

A. După dimensiunile produselor trase: Maşini pentru tras - sârmă; - ţevi; - bare;

83

B. După modul de aşezare al tobelor de tras:

Maşini de tras - cu tobe orizontale; - cu tobe verticale;

3.3.4. Tehnologia tragerii Procesul tehnologic de tragere la rece are următoarele etape:

1. Pregãtirea tehnologicã a fabricaţiei (alegerea utilajelor, sculelor, a parametrilor de lucru);

2. Pregătirea materialului (debitarea, înlăturarea oxizilor, tratament termic iniţial pentru înmuiere);

3. Ascuţirea capãtului semifabricatului pentru a permite intrarea în matriţã sau filierã;

4. Incãlzirea; 5. Tragerea propriu-zisă; 6. Tratament termic de recoacere; 7. Debitarea la dimensiuni şi curãţirea; 8. Control final.

Sârmele cu peste 0,25% C li se aplică un tratament termic de “patentare” care constă din încălzire pentru austenitizare urmată de o răcire cu o viteză controlata sau de introducere în baie de plumb la 600 K pentru a se forma o structura perliticã fină.

5.5. Tragerea ţevilor Ţevile rezultate prin laminare sau alte procedee de prelucrare sunt adeseori finisate prin tragere la rece. Tragerea la rece se utilizează pentru a obţine toleranţe dimensionale strânse şi o bună calitate a suprafeţelor. De asemenea se obţine o îmbunătăţire a proprietăţilor mecanice prin ecruisare. Instalaţia de tragere poarta denumirea de banc. Suprafaţa interioară a ţevilor se sprijină pe dorn.

84

3.4. EXTRUDAREA

3.4.1. Bazele teoretice ale extrudarii

Extrudareareprezintă procesul de prelucrare prin deformare plastică care constă în trecerea forţată a materialului, datorită unei forţe de compresiune, printr-o matriţă a cărei deschidere este profilata şi de secţiune mai mică decât a materialului semifabricat.

1-semifabricatul iniţial; 2-camera de presare; 3-poanson; 4- matriţã; 5-suport matriţã; 6-produs extrudat.

Fig. 3.17 Schema de principiu a extrudãrii Procesul de extrudare are loc în 4 (patru) faze:

1. Presarea până la umplerea completă a orificiului matriţei. În această fază forţa de extrudare creşte de la zero la valoarea maximă.

2. Începutul curgerii prin orificiul matriţei.

85

3. Curgerea metalului prin orificiul matriţei. 4. La sfârşitul cursei pistonului semifabricatul este complet

deformat, iar forţa se reduce la zero. Forţa de extrudare este influenţată de :

a) rezistenţa la deformare a semifabricatului; b) gradul de reducere; c) valoarea forţelor de frecare; d) tipul extrudării; e) complexitatea piesei; f) forma şi dimensiunile semifabricatului;

Expresia de calcul e dată de relaţia: F=pA

unde p - presiunea de deformare a materialelor. Valorile presiunilor sunt calculate pe baza unor relaţii empirice sau

determinate experimental. Spre exemplu valorile recomandate ale presiunii la extrudarea oţelului sunt

cuprinse între 170 şi 280 daN/cm2, iar pentru aluminiu între 40 şi 120 daN/cm2 .

3.4.2. Clasificarea extrudării

I. După temperatura avem extrudare la rece sau la cald. II. După natura forţelor de deformare avem:

extrudare mecanică; extrudare hidraulică; extrudare prin explozie.

III. După sensul de actionare al forţei şi de deplasare al materialului avem:

extrudare directă; extrudare inversă; extrudare combinată.

a-extrudare directã; b-extrudare inversã; c-extrudare combinatã. Fig. Scheme de extrudare

IV. După poziţia axei maşinii avem: Maşină de extrudat cu ax orizontal; Maşină de extrudat cu ax vertical; Maşină de extrudat cu ax oblic.

Presele mecanice pentru extrudare pot fi :

86

cu excentric; cu genunchi; cu manivelă.

Caracteristic este viteza mare de lucru exprimată în număr de curse duble pe minut (ncd/min). Sculele folosite la extrudare sunt formate din matriţă şi poanson. Matriţa

1=con de deformare; 2=cilindru de calibrare; 3=cilindru de ieşire

Fig. 3.18. Matriţa de extrudare

87

Poansonul

1=zonã de prindere; 2=corp poanson; 3=zona activã

Fig. 3.19. Poanson

Materialele din care se execută sunt : oţeluri aliate cu Mo cu duritatea de 55 - 66 HRC; carburi metalice;

3.4.3 Tehnologia extrudării

Etapele procesului tehnologic de extrudare sunt:

1. Pregãtirea tehnologicã a fabricaţiei (alegerea semifabricatului, a sculei, a utilajului, a regimurilor de lucru);

2. Obţinerea semifabricatului prin debitare; 3. Pregătirea pentru extrudare (prerefulare, recoacere, curăţire,

fosfatare, lubrefiere). 4. Extrudarea propriu-zisă 5. Operaţii de completare (retezare, găurire, calibrare) 6. Control tehnic de calitate.

Procesul de extrudare la rece creează deplasări de material cu presiuni specifice foarte mari în timp foarte scurt (10-2 - 10-1 secunde). Prin faptul că

88

materialul semifabricatului freacă pe suprafaţa sculei pot apare fenomene de uzură a sculei şi a utilajului. Practic aceste fenomene au împiedicat multă vreme aplicarea procedeului de extrudare la rece. A fost nevoie să se elaboreze o nouă metodă care utilizează un strat intermediar între sculă şi materialul supus deformării. Acest strat trebuie să fie legat metalic de materialul supus deformării şi să fie poros pentru a îngloba lubrefiant. Metoda, astăzi unanim folosită este cea a fosfatării. Ea constă dintr-o transformare chimică superficială a materialului obţinându-se un strat de fosfaţi compuşi insolubili. Fosfatarea se execută după decapare. În cazul extrudării la rece a oţelului, presiunea la suprafaţa de contact semifabricat-matriţă poate atinge 250 daN/mm2. Lubrefianţii nu trebuie să adere la pereţii matriţei, ci să preia sarcinile. Ca lubrefianţi se folosesc lubrefianţii solizi, ca de exemplu bisulfura de molibden. Prin extrudare se pot obţine următoarele rugozităţi ale suprafeţelor :

- extrudare la rece : Ra = 0,2 – 1,6 μm - extrudare la cald : Ra = 1,6 – 6,3 μm

Produse obţinute prin extrudare

Datoritã avantajelor pe care le prezintã, extrudarea este recomandatã în urmãtoarele cazuri:

- bare rotunde sau profilate; - ţevi; - tuburi şi recipienţi pentru produse alimentare şi cosmetice; - elemente pentru schimbãtoare de cãldurã; - elemente pentru radiatoare.

89

a-bare; b-ţevi; c-sârme; d-profile simple; e-profile complexe; f-elemente pentru

schimbãtoare de cãldurã; g-radiatoare; h-butelii şi recipienţi; i-recipienţi bimetalici.

Fig. 3.20 Produse obţinute prin extrudare

90

3.5. FORJAREA

3.5.1. Generalităţi Forjarea - este procedeul de prelucrare prin deformare plastică la cald care constă în modificarea formei unui semifabricat, datorită forţelor statice sau dinamice exercitate de utilaje specifice, forţe care provoacă curgerea materialului pe diferite direcţii sub acţiunea unor lovituri succesive sau prin presare. Forjarea se realizează prin crearea unei stări tensionale în volumul materialului, însoţită de curgerea materialului pe diferite direcţii sub acţiunea unor lovituri succesive sau a unor forţe statice. Natura forţelor tehnologice:

1. statică - presarea; 2. dinamice - lovituri repetate.

În funcţie de natura forţelor tehnologice şi de restricţiile de curgere a materialelor deosebim două procedee tehnologice:

1. Forjare liberă, la care curgerea materialului este liberă. 2. Forjare în matriţă, la care curgerea materialului este limitată,

deformarea făcându-se într-o cavitate a unei scule numită matriţă.

Avantaje

se obţin piese complexe, de la câteva grame la câteva tone; prin forjare se îmbunătăţesc proprietăţile mecanice ale pieselor obţinute, ceea ce face ca procedeul să fie utilizat la prelucrarea pieselor puternic solicitate cum ar fi arborii cotiţi, supapele,bielele, roţi dinţate, etc.;

se îmbunătăţeşte indicele de utilizare a materialelor; se realizează o orientare favorabilă a fibrelor faţă de axa eforturilor;

Forjabilitatea este o proprietate tehnologică. Prin materiale forjabile se înţeleg acele materiale şi aliaje care pot fi deformate plastic prin forjare. De exmplu oţelurile “calmate”, aliajele cuprului, aliajele aluminiului, ale magneziului, sunt forjabile. Nu toate materialele sunt forjabile. Semifabricatele pentru forjare pot fi sub formă de lingouri, laminate, turnate.

91

3.5.2. Forjarea liberă

Forjarea liberã se aplicã în scopul îmbunãtãţirii proprietãtilor mecanice ale metalelor sau al modificãrii formei acestora. Procesele de forjare liberă sunt foarte variate, dar toate nu reprezintă decât combinarea unor operaţii simple numite operaţii de bază. La forjarea liberă prelucrarea se face pe verticală, materialul fiind aşezat de regulă pe o piesă fixă numită “nicovală” sau “sabotă” şi fiind presat sau lovit de un berbec, direct sau prin intermediul unor scule speciale. Zonele în care sabotul intră în contact cu materialul sunt detaşabile, putând fi utilizate sabote conform necesităţilor. Principalele operaţii (de bazã) care se pot realiza prin forjare liberă sunt:

1. Refularea - mărirea dimensiunilor transversale în detrimentul celor longitudinale (lungimea).

2. Intinderea - inversul refulării (avem intindere simplă la plăci, intindere pe dorn ce se face cu scopul măririi lungimii şi micşorării diametrului exterior, lărgire pe dorn).

3. Găurire. 4. Indoire. 5. Tăiere. 6. Sudare. 7. Răsucire.

Forjarea liberã se recomandã în cazul pieselor de dimensiuni mari sau al pieselor complexe, înainte de forjarea în matriţã. Tehnologia forjării libere Etapele procesului tehnologic de forjare liberã sunt:

1. Pregãtirea tehnologicã a fabricaţiei (elaborarea desenului piesei forjate);

2. Alegerea semifabricatului; 3. Stabilirea masei piesei forjate şi debitare semifabricatului; 4. Incălzirea; 5. Forjarea; 6. Tratamentul termic; 7. Curăţirea; 8. Control tehnic de calitate.

92

3.5.3. Forjarea în matriţă

Procedeu de prelucrare prin deformare plastică la cald prin care materialul se deformează simultan pe diferite direcţii, iar curgerea este condiţionată de forma şi dimensiunile cavitătii matriţei. Prin matriţare semifabricatul este obligat sã ia forma matriţei. Scula în care are loc deformarea se numeşte matriţã de forjat. Matriţa propriu-zisã se compune din douã pãrţi numite semimatriţe şi din douã coloane (bolţuri) de centrare. Cavitatea matriţei are forma şi dimensiunile piesei forjate calde. Elementele tehnologice ale unei matriţe de forjat sunt :

planul de separaţie ; razele de racordare înclinãrile suprafeţelor frontale ; adaosurile de prelucrare ; adaosurile de contracţie ; canalul de bavurã.

Se observã cã majoritatea elementelor tehnologice ale unei matriţe de forjat sunt similare celor ale modelelor pentru turnare. Canalul pentru bavurã are rolul de a prelua excesul de material, deoarece nu se poate realiza un calcul exact al semifabricatului, între situaţia de subdimensionare a volumului semifabricatului care ar conduce la obţinerea unei piese cu configuraţie incompletã datoritã neumplerii cavitãţii matriţei şi cea de supradimensionare, alegîndu-se ultima care conferã garanţia obţinerii unei piese matriţate bune. Acest surplus de material (practic marja de siguranţã pe care ne-o luãm pentru a obţine o piesã matriţatã cu configuraţie completa) este dirijat cãtre aceste canale pentru bavura. Prin crearea unei rezistenţe sporite la umplerea acestui canal de bavura, se dã posibilitatea de umplere completã a cavitãţii matriţei. Bavura este formatã din douã pãrţi :

puntiţa bavurii ; magazia bavurii.

93

1 = puntiţa; 2 = magazie; 3 = plan de separaţie

Fig. 3.21 Canalul de bavurã Principalele tipuri de bavuri sunt redate în figura de mai jos :

Fig. 3.22 Tipuri de locaşuri pentru bavurã

Matriţa de forjat poate sã aibã o cavitate sau mai multe. O matriţã cu

mai multe cavitãţi cuprinde : cavitatea de pregãtire (preforjare) ; cavitatea de matriţare propriu-zisã.

Dacã matriţa are o singura cavitate, aceasta se aşeazã în centrul matriţei, care coincide cu axa maşinii. Dacã matriţa are mai multe cavitãţi, acestea se dispun în ordinea de desfãşurare a operaţiilor de matriţare. Matriţa de forjat se confecţioneazã din oţeluri aliate cu crom şi nichel (pentru a-i conferi refractaritate şi o înalta rezistenţa la rupere). Aceste oţeluri sunt oţeluri de cementate (pentru a-i conferi rezistenţa la uzurã), partea superficialã fiind calitã la 55-60 HRC, în timp ce miezul este mai moale pentru a fi mai tenace şi a prelua şocurile.

94

Bavura rezultatã se îndepãrteazã printr-o operaţie de debavurare care de fapt reprezintã o ştantare. Debavurarea se poate executa la cald sau la rece, cu ajutorul unor scule de construcţie specialã numite matriţe de debavurat. O matriţã de debavurat se compune dintr-o placã de bazã (tãietoare) şi un poanson. Piesa matriţatã cu bavura se dispune pe placa tãitoare. În urma decupãrii se obţine piesa matriţatã fãrã bavurã.

Uneori piesa astfel obţinutã este supusa unei ultime operaţii de finisare printr-o matriţare de calibrare în matriţã de forjat. Dacã piesa matriţatã este complexã, atunci semifabricatul utilizat în vederea matriţãrii este o piesã preforjatã sau o piesa turnatã.

Fig. 3.23. Schema debavurãrii

Ca avantaje ale forjării enumerăm productivitate ridicată, precizie şi consum redus de material, iar ca dezavantaje: limitarea greutăţii pieselor forjate şi costul ridicat de realizare a matriţelor. Finisarea pieselor matriţate constă în:

debavurare la cald sau la rece; îndreptare după debavurare; calibrare - operaţie finală care are ca scop creşterea preciziei dimensionale şi a calităţii suprafeţelor;

curăţirea prin sablare. Forjarea radială se realizează prin reducerea succesivă a secţiunii prin aplicarea unor forţe identice ce acţionează după două, trei, patru direcţii transversale. Materialul primeşte o mişcare de avans şi o mişcare de rotaţie, iar operaţia executată este o întindere. Precizie +/- 0,2 %.

95

Fig.3.24 Schema forjãrii radiale

Utilajele folosite sunt :

1. Ciocane mecanice pentru forjare liberă sau în matriţă cu simplu sau dublu efect; Ciocanele transmit brusc materialului ce se deformează energia cinetică

a masei aflată în mişcare. Acţiunea lor este însoţită de zgomot şi vibraţii mecanice. Timpul de lovire fiind scurt, presiunea de deformare nu are timp să se transmită până în interiorul pieselor.

2. Presele utilizate pot fi: - hidraulice; - cu fricţiune - cu manivelă; - cu arbore cotit.

Tehnologia matriţării Etapele procesului tehnologic de matriţare sunt:

1. Pregãtirea tehnologicã a fabricaţiei (elaborarea desenului piesei forjate şi proiectarea matriţei de forjare);

2. Debitarea semifabricatului; 3. Incălzirea; 4. Matriţarea; 5. Debavurarea; 6. Tratamentul termic; 7. Curăţirea; 8. Controlul tehnic de calitate.

96

Rezistenţele la rupere ale diferitelor oţeluri la diferite temperaturi sunt redate în tabelul de mai jos : Material σ r la rece

[MPa} σ r

[MPa] 700 C 900 C 1100 C Oţel carbon moale 400 75 50 25 Oţel carbon 600 162 75 37 Oţel carbon dur 800 242 110 50 Oţel aliat 1000 320 130 60 In funcţie de aceste valori se decide dacă procedeul de prelucrare va fi efectuat la cald sau la rece.

97

3.6. PRELUCRAREA TABLELOR PRIN DEFORMARE PLASTICĂ

3.6.1.Generalităţi Tablele sunt semifabricate care au una dintre dimensiuni mai mică decât celelalte două. Prelucrarea lor prin deformare plastică (la cald sau la rece) asigură obţinerea unor piese apropiate de forma finală, cu adaosuri minime sau chiar zero. Debitarea tablelor ce urmează a fi prelucrate prin deformare plastică se face la indici de utilizare ridicaţi (peste 90%). Întreg procesul tehnologic poate fi uşor automatizat. Piese obţinute prin deformare plastică pot înlocui cu succes pe cele turnate, forjate, laminate sau obţinute prin alte procedee în condiţiile asigurării scopului funcţional al piesei, al reducerii consumului de material şi a manoperei. Perfecţionările aduse în procesul de fabricare al matriţelor au stimulat dezvoltarea tehnologiilor de deformare plastică a tablelor, preţul de cost ridicat al matriţei fiind unul dintre factorii care au frânat implementarea pe scară largă a acestor tehnologii. Dezvoltarea fără precedent a industriei constructoare de automobile constituie unul din factorii care au accelerat progresul acestor procedee tehnologice. Principalele procedee tehnologice de prelucrare a tablelor sunt :

1.Îndoirea - procedeu de deformare plastică (la cald sau la rece, în funcţie de forţele necesare deformării şi a calităţii materialului deformat) prin care se schimbă orientarea axei semifabricatului, fără afectarea lungimii lui.

Fig.3.25. Indoirea

2.Profilarea - operaţia de prelucrare prin deformare plastică a tablelor prin care se obţin forme diferite prin îndoiri repetate, paralele cu muchiile longitudinale. Profilul se obţine prin îndoiri succesive, pe utilaje de tip abkant, folosind dispozitive şi scule profilate.

98

Fig. 3.26 Table profilate

3.Curbarea - operaţia de prelucrare prin deformare plastică a tablelor prin care se obţin din semifabricate plate piese parţial sau total cilindrice, cu axa paralelă cu muchia semifabricatului. Se execută de obicei pe valţuri prin vălţuire.

4. Răsfrangerea - procedeu de deformare plastică prin care la un semifabricat plan cu orificii se realizează lărgirea orificiului prin formarea unui guler.

Fig.3.27. Rãsfrângerea

99

5. Fasonarea la strung - metoda de deformare plastică la rece a semifabricatelor pe modele în mişcare de rotaţie. Se poate executa cu sau fără subţierea materialului. Metoda se aplică pentru o serie de fabricaţie mică. Viteza de rotaţie a modelului este de 400 … 600 rot / min. pentru oţel şi 600 … 1200 rot / min pentru materiale cu plasticitate ridicată (Al, Cu). Fasonarea se poate executa pe strung sau pe utilaje special concepute numite drukbank. Există o grosime maximă a tablelor ce se pot deforma (la oţel 0,75 mm, la alamă 1,50 mm).

Fig. 3.28 Fasonarea pestrung

6. Umflarea - operaţiune de fasonare pentru mărirea dimensiunilor transversale. Operaţia se poate executa cu poanson de cauciuc sau hidraulic.

1 = matriţã; 2 = suport matriţã; 3 = semifabricat

4 = poanson cauciuc; 5 = poanson metalic Fig. 3.29

7. Ambutisarea - procedeu tehnologic de prelucrare prin deformare

plastică (la cald sau la rece) prin care se obţine dintr-un semifabricat

100

plan o piesă cavă (concavă sau convexă) cu sau fără modificarea grosimii materialului. Se execută pe utilaje de tipul preselor hidraulice folosind dispozitive de tipul matriţelor.

1 = poanson; 2 = semifabricat; 3 = matriţã; 4 = aruncãtor.

Fig.3.30. Principiul ambutisãrii Matriţele sunt alcătuite din :

a) poanson; b) corpul matriţei; c) aruncător.

3.6.2. Bazele teoretice ale procesului de ambutisare

Considerăm un semifabricat plat cu diametrul “D“ din care prin ambutisare (fără subţierea pereţilor) se obţine o piesă cavă cu diametrul “d” şi înălţimea “h”. În cursul procesului de ambutisare volumul de material excedentar deplasat contribuie la formarea cutelor. Pentru materiale groase, aceste cute sunt netezite de jocul dintre poanson şi matriţă, în timp ce pentru piesele adânci din

101

materiale subţiri, împiedicarea formării cutelor se face cu ajutorul unui inel de reţinere care apasă asupra materialului în timpul deformării. Întrebuiţarea sau nu a inelului de reţinere se face dacă D - d > 18 s, unde “s” este grosimea materialului. Definirea coeficientului de ambutisare este dată de relaţia:

mdD

m

f

i=

< 1

Uneori pentru piesele care au adâncimi mari, ambutisarea nu se poate face dintr-o singură operaţie, efectuându-se ambutisari succesive. In acest caz coeficientul total de ambutisare va fi :

m m m mdD

mdD

mdd

mdd

mdD

t nn

nn

= ⋅ ⋅ ⋅ =

=

=

=

=

1 2

11

22

1

33

2

K

M

Pentru prima ambutisare considerăm m1=0,45 0,60, iar pentru următoarele mi=0,65 … 0,80. Pentru grosimi ale materialului mai mici decât 2 mm se aleg valori inferioare ale coeficientului de ambutisare. Pentru evitarea fenomenelor de gripare sau rupere a materialului în timpul ambutisării, între poanson şi matriţă se lasă un joc z=(1,1 … 1,3)s. Ambutisarea cu subţierea pereţilor se deosebeşte de cea fără subţierea pereţilor prin faptul că jocul “z” se alege mai mic, z=(0,25 … 0,65)s.

Gradul de deformare se determină cu relaţia ε =−−

−

s ss

n

n

1

1

n unde sn-1, sn

sunt grosimile pereţilor înainte şi după ambutisare. Pentru prima operaţie ε=0,25, iar pentru celelalte ε i=0,30.

102

3.6.3. Ambutisarea prin explozie Ambutisarea prin explozie este un procedeu de deformare plastică a tablelor cu viteză mare de deformare. Explozivii folosiţi pot fi lenţi (presiuni până la 30 daN/mm2 şi viteze de 300 … 2400 m/s) sau brizanţi (presiuni până la 3000 daN/mm2 şi viteze de 1200 … 7500 m/s). Prelucrările se fac în camere închise special amenajate. Folosind explozivii brizanţi se pot fabrica produse de dimensiuni mari (diametre până la 10 metri şi grosimi de 30 mm).

1 = matriţã; 2 = semifabricat; 3 = sursã explozivã

4 = mediu undã şoc; 5 = conductã evacuare aer; 6 = placã fixare

Fig.3.31. Ambutisarea prin explozie

3.6.4. Ambutisare electro-hidraulică Ambutisarea electro-hidraulică întrebuinţează ca sursă de energie descărcarea electrică de înaltă tensiune sub forma unor impulsuri de scurta durata amorsata în medii dielectrice lichide. Undele de presiune generate de descărcarea în mediu lichid sunt transmise semifabricatului producând deformarea.

103

1 = sursã alimentare; 2 , 4= contacte; 3 = condensator; 5 = electrozi; 6 =canal

descãrcãri 7 = camerã amorsare; 8 = matriţã; 9 = semifabricat; 10 = canal evacuare; 11=

apã Fig.3.32. Ambutisarea electro-hidraulicã

3.6.5. Ambutisarea electro-magnetică

Se aplică pentru prelucrarea cu viteză mare a semifabricatelor cilindrice din tablă. Forţa necesară deformării plastice se obţine din interacţiunea unui câmp magnetic sub forma de impuls de mare intensitate şi curenţii electrici induşi în semifabricat.

3.6.6. Domenii de aplicare şi perspective Prelucrarea tablelor prin deformare plastica se aplica pentru semifabricate şi piese finite în domenii ca :

1. Industria automobilelor - la executarea caroseriilor. 2. Industria chimică - executarea fundurilor pentru recipienti,

calote semisferice. 3. Industria bunurilor de larg consum (obiecte de uz casnic). 4. Industria constructoare de maşini (carcase, rezervoare)

Dezvoltarea tehnologiilor spaţiale a necesitat punerea la punct a unor procedee de deformare plastică a unor materiale dure şi stabile la temperaturi înalte în condiţii de precizie ridicată.

104

3.6.7. Controlul tehnic al pieselor deformate plastic. Defecte. Remedieri

Controlul tehnic se execută pe întreg fluxul. Se executa controlul dimensional, al materialului şi al eventualelor defecte. El poate fi :

a) distructiv; b) nedistructiv - cu radiaţii gama, ultrasonic, etc.;

Defectele pieselor deformate plastic pot fi : a) defecte de material - retasuri, porozităţi, sufluri, capilarităţi,

segregaţii, incluziuni, compoziţie chimică necorespunzătoare; b) defecte de prelucrare - fisuri, crăpături, suprapuneri,

amprente, loviri; c) defecte de încălzire - decarburări, arderi;

Defectele pot fi remediabile sau neremediabile în care caz ele devin rebuturi. Remedierea se face conform unor tehnologii speciale după tipul defectului ce trebuie corectat.

105

CAPITOLUL 4

SUDAREA METALELOR

4.1.Generalităţi Sudarea este o metodã de îmbinare nedemontabilã a douã corpuri metalice, prin stabilirea unor legãturi între atomii marginali ai celor douã corpuri, în anumite condiţii de temperatura şi presiune. Peste 42% din producţia mondialã de oţel este utilizatã în construcţii sudate. Rezultatul sudãrii este cusãtura sudatã sau cordonul de sudurã. Avantajele metodei - faţã de celelalte procedee de asamblare (în special nituirea) se realizeazã o economie de material (nu se mai suprapun tablele),se realizeazã etanşietatea îmbinãrii şi în absenţa gãurilor pentru nituri creşte rezistenţa asamblãrii. - faţã de piesele turnate se obţin construcţii mai suple, consumul de manopera la sudare este mai mic, iar rezistenţa la rupere a materialelor laminate (care se sudeazã) este mai mare decât al celor turnate; - se pot obţine construcţii mixte formate din mai multe pãrţi, fiecare din alt material sau obţinut prin alt procedeu tehnologic; - pentru a suda materiale uzuale utilajele necesare sunt accesibile şi simple; - calitate superioarã a îmbinãrii din punct de vedere al rezistentei mecanice; - permite mecanizarea şi automatizarea completã a proceselor; - se realizeazã o importantã economie de manoperã faţã de alte procedee; - se pot realiza construcţii mai uşoare, adaosurile de prelucrare fiind mai mici decât în cazul pieselor turnate sau forjate; Dezavantaje - nu se pot executa serii de fabricaţie mari; - procedeele tehnologice de sudare de mare productivitate necesitã

106

utilaje scumpe; - de cele mai multe ori piesele sudate trebuiesc detensionate prin tratamente termice, ceea ce conduce la creşterea costurilor, a consumurilor energetice şi a manoperei; - majoritatea construcţiilor sudate necesitã un constrol nedestructiv; - este necesarã utilizarea unei forţe de muncã calificate;

4.1.1. Principiul fizic al sudãrii Pentru crearea unor forţe de legãtura între corpuri este necesar ca atomii dispuşi pe suprafaţa unuia dintre corpuri sã reacţioneze cu atomii celuilalt corp. Aceasta presupune apropierea celor din atomi la o distanţã de 10-10m. Aceasta condiţie se poate realiza prin doua soluţii de bazã: 1) încãlzirea pãrţilor de îmbinat în poziţie alãturatã 2) exercitarea unei presiuni asupra lor. Prin încãlzire se mãreşte energia libera a atomilor şi se slãbesc legaturile interatomice şi creşte plasticitatea materialului. Dacã încãlzirea este mare se realizeazã o baie de metal topit prin solidificarea cãreia se obţine cordonul de sudurã. Fenomenele care au loc în baia de metal topit se supun legilor metalurgiei. Presiunea exercitatã între pãrţile de îmbinat dã naştere la deformaţii plastice care determinã curgerea materialului de-a lungul suprafeţelor în contact astfel încât se obţine apropierea unor straturi interioare de metal. Dacã presiunea este destul de mare, ea singurã poate realiza sudarea la rece. Mecanismul apariţiei forţelor de legãturã între pãrţile de sudat, depinde în primul rând de starea de agregare în care se gãsesc acestea. Ele pot fi ambele lichide sau ambele solide. La sudarea în faza lichida stabilirea legãturii începe în baia comuna odatã cu interacţiunea materialelor topite şi se continuã cu procesul de cristalizare. O mare influenţã o au solubilitatea celor douã metale în stare solida şi diferenţa între proprietãţile fizice. La sudarea în stare solida forţele de prindere a unei piese de alta se obţin prin apropierea mecanica a atomilor de pe suprafeţele în contact. Pentru prinderea totala ar trebui ca distanta dintre atomi celor doua corpuri sa fie de ordinul parametrilor reţelei cristaline. Practic acest lucru nu se produce datorita existentei unor straturi de oxizi la contactul metalelor. Aceste straturi împiedicã coeziunea moleculara. În plus microneregularitãţile suprafeţelor de separaţie determina o

107

suprafaţa de contact realã mai micã decât cea aparentã. În concluzie prin presare la rece posibilitatea întâlnirii a douã cristale aparţinând celor douã corpuri este micã şi de aceea chiar în cazul sudãrii prin presiune când materialele sunt în stare solida este necesara încãlzirea lor, prin încãlzire creşte plasticitatea metalului şi amplitudinea oscilaţiilor termice ale atomilor, creşte numãrul de vacanţe. 4.1.2. Structura îmbinãrilor sudate prin topire Prin sudurã se înţelege rezultatul operaţiei de sudare , iar prin cusaturã sudatã se defineşte aceea zonã a îmbinãrii în care au acţionat efectiv forţele de coeziune interatomicã. Zona îmbinãrii este diferitã de zona materialului de bazã, deosebirea datorându-se şi modului în care s-a realizat cusãtura: prin topire sau prin presiune. Cordoanele de sudurã obţinute prin topire au o structurã şi o compoziţie chimicã proprie. În cazul obişnuit al sudurii cu adaos de material cusãtura înglobeazã pe lângã acesta şi materialul de bazã. Baia de sudura astfel rezultatã intrã în reacţii chimice cu elemente din mediul înconjurãtor (O2, H2, N2) şi cu diferite elemente de aliere(Si , Mn, C, Cr). Oxigenul dã naştere la oxizi, hidrogenul se dizolvã şi favorizeazã apariţia fisurilor, iar azotul formeazã nitruri dure care reduc plasticitatea sudurii. În plus se pot introduce elemente de aliere prin materialul de adaos sau prin materialele menite sã protejeze baia. Trebuie sã ţinem cont de faptul cã unele elemente de aliere se pot pierde prin ardere. Dupã solidificare la locul îmbinãrii apar patru zone cu structuri caracteristice. Cusãtura (1) are o structura dendridicã tipica metalelor turnate. Intre cusãturã şi metalul de baza se distinge o zona foarte îngustã de trecere (2) provenitã dintr-un amestec de metal topit şi metal de baza supraîncãlzit şi format din constituenţi de difuzie reciprocã. Cu cât deosebirea dintre compoziţia chimicã a metalului de adaos şi cea de bazã este mai mare, cu atât aceastã zonã este mai vizibilã.

108

Fig.4.1. Structura îmbinãrii sudate prin topire

În metalul netopit din apropierea cusãturii, datorita încãlzirii şi rãcirii rapide, au loc transformãri structurale, fãrã modificarea compoziţiei chimice într-o zonã numitã zonã de influenţã termicã (Z.I.T.) (3). În aceastã zonã au loc recristalizãri şi transformãri de fazã, difuziuni. Adâncimea ei depinde de regimul termic folosit. În funcţie de viteza de rãcire se obţin în Z.I.T. structuri de cãlire care mãresc duritatea oţelului.

Zona (4) este cea a materialului de bazã. La sudarea prin presiune, absenţa materialului de adaos şi încãlzirea

la temperaturi mai mici determinã o structurã mai simplã. Nu apar diferenţe sensibile de compoziţie chimicã şi se obţin structuri cu grãunţi mari (datoritã vitezelor de rãcire mari) care înrãutãţesc proprietãţile mecanice. 4.1.3. Sudabilitatea materialelor metalice Sudabilitatea este o proprietate tehnologicã care determinã în condiţii de sudare date, capacitatea materialelor de a realiza îmbinãri sudate. Cordoanele de sudurã trebuie sã corespundã condiţiilor impuse din punct de vedere metalurgic, constructiv şi tehnologic.

Noţiunea de sudabilitate este condiţionatã atât de proprietãţile metalului cât şi de modul de realizare a sudurii. Pentru aprecierea sudabilitãţii existã prescripţii şi criterii de apreciere specifice fiecãrui material şi fiecãrei ţãri. Metodele sunt empirice. În România, conform STAS 7194-79 oţelurile se împart, din punct

109

de vedere al sudabilitãţii în trei grupe: I Bunã II Posibilã III. Necorespunzãtoare Pentru determinarea sudabilitãţii se fac încercãri de duritate în zona de influenţã termicã Z.I.T. Duritatea este influenţatã de conţinutul de carbon.

Fig.4.2. Diferenţa dintre duritatea materialului de bazã si cea a Z.I.T.

Se observã cã la procente mai mari de 0,30% C duritatea Z.I.T. – ului creşte mult favorizându-se ruperea fragilã. Fiecare element de aliere conţinut de oţel afecteazã duritatea cordonului şi deci sudabilitatea. Pentru a ţine cont şi de acestea se introduce noţiunea de carbon echivalent Ce[%].

Carbonul echivalent este procentul de carbon al unui oţel nealiat care are aceeaşi sudabilitate cu a oţelului aliat utilizat. Conform STAS 7194-79 carbonul echivalent se stabileşte cu formula.

Ce=C+15136542

iunro NCMCMP+++++ +0,0024 g

unde “g” este grosimea tablelor care se sudeazã.

110

1-procedee de sudare cu flacãrã oxigaz; 2-procedee de sudare cu arc electric

Fig. 4.3 Dependenţa sudabilitãţii oţelurilor în funcţie de conţinutul de carbon echivalent

De obicei se prefera utilizarea oţelurilor cu pânã la 0,25%C. Clase de sudabilitate Distingem urmãtoarele clase de sudabilitate:

I. Sudabilitate bunã necondiţionatã Din aceastã clasã fac parte oţelurile cu un carbon echivalent mai mic de 0,25%, cum ar fi OL37, OLC 10, OLT 32, etc. Se caracterizeazã prin:

- nu suferã transformãri structurale în urma sudãrii;

111

- nu sunt sensibile la configuraţia geometricã a ansamblului sudat şi a sudurilor;

- pot fi sudate prin toate procedeele de sudare, fãrã restricţii speciale.

II. Sudabilitate bunã condiţionatã

Din aceastã clasã fac parte oţelurile cu un carbon echivalent de 0,25...0,50%, cum ar fi oţelurile slab aliate şi cele carbon de calitate. Se caracterizeazã prin:

- pot suferi transformãri structurale nefavorabile şi durificãri, fac sudura sensibila la fisurare şi la rupere;

- sunt sensibile la configuraţia geometricã a ansamblului sudat.

III. Sudabilitate sever condiţionatã

Din aceastã clasã fac parte oţelurile cu un carbon echivalent de 0,50...0,68%, cum ar fi oţelurile austenitice inoxidabile. Se caracterizeazã prin: - pot fi sudate prin toate procedeele de sudare prin topire cu condiţia respectãrii unor mãsuri tehnologice (preîncãlzire la 100...200 0C).

IV. Sudabilitate foarte sever condiţionatã Din aceastã clasã fac parte oţelurile cu un carbon echivalent de 0,68...1,0%, cum ar fi oţelurile inoxidabile feritice şi martensitice. Se caracterizeazã prin:

- suferã întodeauna transformãri structurale nefavorabile şi schimbãri ale proprietãţilor fizice şi mecanice;

- sunt sensibile la configuraţia geometricã a ansamblului sudat, conducând la fragilitate, rezsistenţã la obosealã scãzutã;

- pot fi sudate printr-un numãr redus de procedee, cu condiţia respectãrii unor mãsuri tehnologice severe.

V. Sudabilitate necorespunzãtoare

Din aceastã clasã fac parte oţelurile cu un carbon echivalent mai

112

mare de 1%. Se caracterizeazã prin: - suferã transformãri fizice, chimice şi mecanice total

nefavorabile:

1-cusãturã sudatã; 2-zonã de supraîncãlzire; 3-zonã de normalizare; 4-zonã de recristalizare parţialã; 5-zonã de recristalizare totalã; 6-metalul de bazã. Fig. 4.4 Transformãrile structurale ale oţelului carbon cu 0,20% C, în timpul

încãlzirii şi rãcirii cauzate de sudurã

4.1.4. Materiale de adaos la sudare Sudarea se poate efectua fie cu material de adaos, atunci când cusãtura sudatã se formeazã şi cu material metalic din afara pãrţilor îmbinate, fie fãrã material metalic de adaos. Proprietãţile materialelor metalice de adaos Pentru a fi corespunzãtor materialul de adaos trebuie sa îndeplineascã urmãtoarele condiţii:

- sã aibã o compoziţie chimicã apropiatã de cea a materialului de bazã; - sã conducã la suduri cu proprietãţi mecanice apropiate de cele ale

113

metalului de bazã. Din acest punct de vedere proprietatea care se urmãreşte în primul rând este tenacitatea - prin solidificare sã conducã la structuri omogene, cu granulaţie finã - sã corespundã condiţiilor de mediu în care lucreazã piesa - sã fie uşor prelucrabil În afara materialului care intrã direct în masa cusãturii (sârme, electrozi) se considerã drept material de adaos şi materialele care contribuie la alierea sudurii (învelişuri, fluxuri) 4.1.4.1. Sârme de sudurã Sârmele de sudurã se prezintã sub forma de colaci sau vergele şi au diametre cuprinse între 0,5 şi 12,5mm.

Se utilizeazã la sudarea cu flacãrã, la sudarea sub strat de flux sau la sudarea în medii protectoare de gaze. Ele pot fi aliate sau nealiate. Din punct de vedere constructiv sârmele pentru sudură se împart în două mari categorii:

1. Sârme pline din oţel; 2. Sârme tubulare. La rândul lor, sârmele pline din oţel sunt standardizate astfel:

a) Sârme pentru sudare sub strat de flux (SR EN 756:1997); b) Sârme pentru sudare în medii de gaz protector cu electrod

fuzibil (SR EN 440: 1996); c) Sârme pentru sudare WIG (SR EN 1668: 2000);

Sârmele tubulare pentru sudare se folosesc la sudarea cu arc electric cu sau fără gaz de protectie (SR EN 758: 1998). Sârme pentru sudare sub strat de flux

Simbolizarea acestor sârme-electrod este reglementată prin SR EN

756:1997 şi cuprinde 5 grupe: 1. Simbolul produsului şi/sau procedeului identificat (litera S); 2. Simbolul rezistenţei la tracţiune, a limitei de curgere şi a alungirii

metalului depus prin sudare pentru tehnica de sudare în mai multe straturi (Tabelul T 4.3), sau rezistemţa la tracţiune şi limita de curgere minimă a metalului de bază, pentru tehnica de sudare în două straturi (Tabelul T 4.1);

3. Simbolul caracteristicilor de încovoiere prin şoc ale metalului depus

114

sau ale îmbinării sudate realizate în vederea clasificării (Tabelul T 4.3);

4. Simbolul tipului de flux utilizat (Tabelul 4.2); 5. Simbolul compoziţiei chimice a sârmei-electrod utilizate conform

EN 756: 1995 (Tabelul T4.4); Simbolizarea caracteristicilor la tracţiune pentru tehnica cu douã straturi

Tabelul 4.1 Simbol Limita de curgere a

metalului de bază Rp0,2 minim

[N/mm2 ]

Rezistenţa la rupere a îmbinării sudate

[N/mm2 ]

2T 275 370 3T 355 470 4T 420 520 5T 500 600

Tabelul 4.2

Simbol Constituenţi chimici caracteristici

(1) (2) MS

silico-manganos MnO+SiO2>50%

CaO<15% CS

silico-calcic CaO+MgO+SiO2>55%

CaO+MgO>15% ZS

silico-zirconic ZrO2+SiO2+MnO>45%

ZrO2>15% RS

silico-rutilic TiO2+SiO2>50%

TiO2>20% AR

alumino-rutilic Al2O3+CaO+MgO>40%

AB alumino-bazic

Al2O3+CaO+MgO>40% Al2O3>20% CaF2<22%

AS alumino-siliconic

Al2O3 + SiO2 + ZrO2 >40% CaF2 + MgO>30%

Zr2O>5%

115

(1) (2) AF

alumino-fluoro-bazic Al2O3 +CaF2 >70%

FB fluoro-bazic

CaO+MgO+CaF2+MnO>50% CaF2 >15% SiO2 <20%

Z Orice altă compoziţie

Tabelul T 4.3 Simbolizarea caracteristicilor la

tracţiune Simbolizarea

caracteristicilor la încovoiere prin şoc

Sim-bol

Limita de

curgere

Rezistenţa la rupere

Rm

Alungire a rupere

[%]

Sim-bol

Energia la rupere

KV minim

Tem. de încercare

oC 35 355 440-570 - Z -

38 380 470-600 20 A +20 42 420 500-640 20 0 0 46 460 530-680 20 2 -20 50 500 560-720 18 3 -30 4 -40 5 -50 6 -60 7 -70 8

Medie 47

Valoare individuală 32

-80

Tabelul T4.4 Compoziţie chimică Simbol

C Si Mn Mo Ni Cr S0 Orice altă compoziţie pusa de acord (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) S1 0,05-0,15 0,15 0,35-0,6 0,15 0,15 0,15 S2 0,07-0,15 0,15 0,8-1,3 0,15 0,15 0,15 S3 0,07-0,15 0,15 >1,3-1,75 0,15 0,15 0,15 S4 0,07-0,15 0,15 >1,75-2,25 0,15 0,15 0,15

S1Si 0,07-0,15 0,15-0,40 0,35-0,6 0,15 0,15 0,15 S2Si 0,07-0,15 0,15-0,40 0,8-1,3 0,15 0,15 0,15 S2Si2 0,07-0,15 040-0,60 0,8-1,3 0,15 0,15 0,15

116

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) S3Si 0,07-0,15 0,15-0,40 >1,3-1,85 0,15 0,15 0,15 S4Si 0,07-0,15 0,15-0,40 >1,85-2,25 0,15 0,15 0,15

S1Mo 0,07-0,15 0,05-0,25 0,35-0,6 0,45-0,65 0,15 0,15 S2Mo 0,07-0,15 0,05-0,25 0,8-1,3 0,45-0,65 0,15 0,15 S3Mo 0,07-0,15 0,05-0,25 >1,3-1,75 0,45-0,65 0,15 0,15 S4Mo 0,07-0,15 0,05-0,25 >1,75-2,25 0,45-0,65 0,15 0,15 S2Ni1 0,07-0,15 0,05-0,25 0,8-1,3 0,15 0,8-1,2 0,15

S2Ni1,5 0,07-0,15 0,05-0,25 0,8-1,3 0,15 >1,2-1,8 0,15 S2Ni2 0,07-0,15 0,05-0,25 0,8-1,3 0,15 >1,8-2,4 0,15 S2Ni3 0,07-0,15 0,05-0,25 0,8-1,3 0,15 >2,8-3,7 0,15 S2Ni1

Mo 0,07-0,15 0,05-0,25 0,8-1,3 0,45-0,65 0,8-1,2 0,20

S3Ni1,5 0,07-0,15 0,05-0,25 >1,3-1,7 0,15 >1,2-1,8 0,20 S3Ni1

Mo 0,07-0,15 0,05-0,25 >1,3-1,8 0,45-0,65 0,8-1,2 0,20

S3Ni1,5Mo

0,07-0,15 0,05-0,25 1,2-1,8 0,30-0,50 1,2-1,8 0,20

Exemplu de simbolizare: Cuplu sârmă-flux pentru sudare cu arc electric sub strat de flux, tehnica în mai multe straturi, prin care se depune un metal având limita de curgere de minimum 460 N/mm2 (46) şi o valoare a energiei de rupere la încovoiere prin şoc de minimum 47 J la –300C (3), realizat cu flux alumino-bazic (AB) şi o sârmă electrod S2 Cuplu sârmă-flux EN756 – S 46 3 AB S2

Sârme pentru sudare în medii de gaz protector cu electrod fuzibil

Simbolizarea acestor sârme-electrod este reglementată prin SR EN

440: 1996 şi cuprinde:

1. Simbolizarea produsului şi/sau procedeului de sudare (litera G=sudare cu electrod fuzibil; litera W=sudare cu electrod nefuzibil);

2. Simbolul rezistenţei şi alungirii metalului depus (vezi standard); 3. Simbolul caracteristicilor la încovoierea prin şoc a metalului depus

117

(vezi standard); 4. Simbolul gazului de protecţie utilizat (conform Tabelului T 4.5).

Compoziţia chimică a electrodului este redată în EN 440: 1994.

Tabelul T 4.5

Simbol Gaz de protecţie

M Amestecuri de gaze EN 439-M2, dar fără heliu

C Gaz de protecţie EN 439-C1, dioxid de carbon

Exemplu de simbolizare:

Metalul depus prin sudare cu arc electric în mediu protector de gaz, cu electrod fuzibil (G), având limita de curgere de minim 460 N/mm2 (46) şi valoarea medie a energiei de rupere de minimum 47 J la –300C(3), obţinut prin sudare în amestec de gaze (M), utilizând o sârmă electrod G3Si 1. EN 440 – G 46 M G3Si 1

Simbolizarea sârmelor-electrod pentru sudarea WIG este

reglementată prin SR EN 1668: 2000 iar simbolizarea sârmelor tubulare pentru sudarea cu arc electric cu sau fără gaz de protecţie este reglementată prin SR EN 758: 1998. Din punct de vedere constructive sârmele tubulare pot fi cu contur închis şi cu contur deschis.

Fluxuri pentru sudarea cu arc electric sub strat de flux Fluxurile sunt materiale granulate formate din amestecuri de minerale având roluri de: - protecţie a bãii de metal topit; - de a contribui cu elemente de aliere şi elemente dezoxidante la formarea

sudurii; - de a elimina gazele;

118

- de a micşora viteza de rãcire a sudurii; - în cazul sudãrii cu arc şi rolul de stabilizator al acestuia. In afara acestor funcţiuni principale fluxurile mai îndeplinesc şi toate celelalte funcţiuni pe care le îndeplineşte învelisul electrodului. După modul de obţinere şi din punct de vedere al compoziţiei lor chimice fluxurile se clasifică în:

1. Fluxuri topite (T) = au în compoziţie mangan, cuarţ, oxizi de magneziu, oxizi de aluminiu, etc. Aceste materiale se topesc şi se granulează prin turnare în apă.Fluxurile turnate au un aspect sticlos. Acest tip de flux se utilizează în special la sudarea oţelurilor carbon şi slab aliate, fiind cele mai utilizate tipuri de fluxuri.

2. Fluxuri ceramice (C) = se obţin prin aglomerare cu silicat de sodium şi au în compoziţie: feldspat, oxid de aluminiu, feroaliaje de mangan, crom, siliciu, etc. Se utilizează în special la încarcărea prin sudură si la sudarea oţelurilor slab aliate. Sunt higroscopice şi scumpe.

3. Fluxurile sinterizate = se obţin din pulberi metalice sinterizate. Granulele astfel obţinute sunt mai puţin higroscopice decât fluxurile ceramice.

4. Fluxuri pasive = se obţin prin înlocuirea oxizilor de siliciu şi mangan cu oxizi de aluminiu. Datorită pasivităţii aceste fluxuri nu interacţionează cu baia de metal topit. Sunt recomandabile la sudarea oţelurilor aliate, pentru a nu influenţa compoziţia chimică a cusăturii.

In funcţie de caracterul lor fluxurile pot fi bazice sau acide. Bazicitatea

influenţează semnificativ tenacitatea cusăturii. Fluxurile pentru sudarea cu arc electric sub strat de flux se simbolizeazã conform EN 760: 1996 şi simbolozarea cuprinde şase elemente:

1. Simbolul produsului şi/sau procedeului (litera S); 2. Simbolul metodei de fabricaţie: F – flux topit; A – flux aglomerat; M – flux mixt (amestecat); 3. Simbolul tipului de flux, pe baza constituenţilor chimici

caracteristici (Tabelul T 4.2); 4. Simbolul referitor la utilizare – clasa fluxului (Tabelul T 4.6);

119

Tabelul T 4.6 Clasa de fluxuri

Domeniul de utilizare

1 Fluxuri pentru sudarea cu arc electric sub strat de flux ale oţelurilor nealiate şi ale oţelurile pentru construcţii, oţelurile de înaltă rezistenţă şi termorezistente. In general fluxurile nu conţin elemnte de aliere în afară de Mn şi Si.; în consecinţă, compoziţia metalului depus este influenţată în mod esenţial de compoziţia sârmelor electrod şi de reacţiile metalurgice. Aceste fluxuri sunt adecvate atât pentru executarea îmbinărilor sudate, căt şi pentri încărcarea prin sudare. In cazul sudării de îmbinare, majoritatea acestor fluxuri pot fi utilizate cu tehnica în mai multe straturi şi cu tehnica într-un singur strat şi/sau în două straturi.

2 Fluxuri pentru sudarea şi încărcarea oţelurilor inoxidabile şi a oţelurilor cu Cr şi cu Cr-Ni refractare şi/sau a nichelului şi a aliajelor de nichel.

3 Fluxuri destinate, în special, încărcării prin sudare, conducând la obţinerea unui metal rezistent la uzurã prin transfer al elementelor de aliere din flux, cum sunt C, Cr sau Mo.

5. Simbolul referitor la activitatea metalurgică (creşterea şi/sau

scăderea conţinutului de elemente de aliere). Există 5 clase de activitate metalurgică, menţionate în standard

Exemplu de simbolizare

Flux pentru sudare cu arc electric sub strat de flux (S) fabricat prin topire (F), de tip silico-calcic (CS) pentru utilizare în clasa I (I), cu 0,2 % creştere pentru siliciu (6) şi 0,5% pentru mangan (7), care poate fi utilizat în c.a. sau în c.c (AC) şi cu care se obţine un metal depus conţinând 8 ml de hidrogen la 100 g metal depus (H10): Flux pentru sudare EN 760 – S CS 1 67 AC H10 Partea obligatorie a simbolizării este:

120

EN 760 – S CS 1 Granulaţia fluxului nu intră în simbolizarea acestuia, dar este obligatorie la marcarea ambalajelor, indicându-se fie simbolul pentru dimensiunile minime şi maxime ale granulelor, conform Tabel T 4.7, fie direct dimensiunile în mm. Exemplu : 2 – 16 sau 0,2 – 1,6. Tabelul T 4.7

Dimensiunile granulelor

[mm]

Simbol

2,5 25 2,0 20 1,6 16 1,25 12 0,8 8 0,5 5

0,315 3 0,2 2 0,1 1

<0,1 D

Alte materiale de adaos In afara acestor materiale de adaos mai există următoarele materiale de adios:

- Electrozi înveliţi pentru sudarea fontelor – ISO 1071: 1983 şi STAS 7242-82;

- Electrozi pentru sudarea aluminiului cu electrozi înveliţi STAS 8524-70;

- Vergele şi sârme pentru sudarea aluminiului şi a aliajelor de aluminiu STAS 11019-85;

- Electrozi de wolfram pentru sudare WIG şi cu plasmă EN 26848:1991 (ISO 6848:1984);

121

Gaze de protecţie Gazele de protecţie au rolul de a realize o barieră protectoare între baia de metal topit şi gazele din atmosferă. Ele pot fi active (CO2) sau inerte (argon, heliu, amestecuri). Gazele de protecţie utilizate la sudarea cu arc electric sunt standardizate conform SR EN 439: 1996. Tabelul T 4.8

Notare Constituenţi [procente de volum] Oxidant Inert Redu-

cator Nereactiv

Gr. Nr.

CO2 O2 Ar He H2 N2

Aplicaţii Obs.

1 Rest >0-15 R 2 Rest >15-35

WIG, sudare cu plasmă

Red

1 100 2 100

I

3 Rest >0-95

MIG, WIG, sudare plasmă

Inert

1 >0-5 Rest 2 >0-5 Rest 3 >0-3 Rest

M1

4 >0-5 >0-3 Rest

MAG Mai putin oxid.

1 >5-25

Rest

2 >3-10

Rest

3 >0-5 >3-10

Rest

M2

4 >5-25

>0-8 Rest

1 >25-50

Rest

2 >10-15

Rest

M3

3 >5-50

>8-15

Rest

Mai mult oxid.

1 100 C 2 Rest 0-30

Nereactiv

1 100 F 2 >0-50 Rest

Tăiere plasmă

Reduc.

122

Standardul mai sus menţionat clasifică gazele astfel: R = amestecuri de gaze reducătoare. I = gaze einerte şi amestecuri inerte. M = amestecuri oxidante, dioxid de carbon saui ambele. C = gaze puternic oxidante şi amestecuri puternic oxidante. F =gaze nereactive sau amestecuri de gaze reducătoare.

Simbolizarea gazelor de protecţie utilizate la sudare se face prin indicarea următoarelor elemente:

- termenul de “gaz de protecţie”; - numărul standardului; - grupa şi numărul de identificare, conform standardului

Exemplu de simbolizare:

Gaz de protecţie EN 439 – I3 Amestec conţinând 30% 4.1.4.2. Electrozii înveliţi pentru sudare Prin electrod se înţelege orice corp metalic legat la unul din polii sursei electrice de sudare, dacã acel corp nu este corpul de sudat. - nefuzibili - nu participã la realizarea sudurii ci numai la realizarea sursei termice Electrozi - fuzibili - înveliţi-sudurã manualã cu arc - neînveliţi - sudura în mediu protector Invelişul este un strat format dintr-un amestec de substanţe aplicat pe exteriorul materialului de adaos. Invelisul electrodului îndeplineşte urmãtoarele funcţiuni:

1. Funcţia ionizatoare se realizeazã prin introducerea unor substanţe care îmbunãtãtesc stabilitatea funţionãrii arcului electric, prin intensificarea procesului de ionizare a spaţiului dintre electrod şi piesã.

2. Funcţia moderatoare se realizeazã prin formarea unei cruste de zgurã deasupra cordonului de sudurã, reducându-se astfel viteza de

123

rãcire şi ameliorându-se structura. 3. Funcţia protectoare realizeazã protecţia bãii de metal topit

împotriva contactului cu gazele din atmosferã. 4. Funcţia de aliere se realizeazã prin introducerea unor elemnte de

aliere sub formã de feroaliaje, care modificã proprietãţile cordonului de sudurã în sensul dorit.

5. Funcţia de curãţire conduce la reducerea conţinutului de sulf şi fosfor din cordonul de sudurã, reducând astfel riscul apariţiei fisurilor atât la cald cât şi la rece.

6. Funcţia de sprijinire asigurã întãrirea rapidã a zgurii formate prin solidificarea peliculei de învelis topit.

Materialele care intrã în structura învelişului sunt: - ionizate - carburi de calciu; - zgurifiante - minereu de Mn, Fe, T; - dezoxidanţi-feroaliaje(Si, Mn); - componente de aliere - feroaliaje, oxizi; - fluidifianţi - bioxid de titan; - lianţi; - plastifianţi – bentonitã , dextrinã; - componenţi de adaos - pulberi de fier; Electrozii înveliţi sunt cei definiţi prin STAS 1125-64. Ei pot avea diametre cuprinse de : 1,2;1,6;2;2,5;3,25;4;5;6;.......12,5 mm şi lungimi de 300;350;450, 500 mm Dupã natura învelişului electrozii pot fi: acizi, bazici, celulozici, oxidanţi, titanic, rutilic, special. - electrozi cu înveliş acid Asigurã viteze mari de sudare şi proprietãţi bune ale sudurii oţelurilor cu maximum 0,20%C. La conţinut mai mare de carbon au tendinţã de fisurare la cald. Invelişul acid este format din oxizi metalici, silicaţi naturali, substanţe organice, dezoxidanţi. - electrozi cu înveliş bazic Conţin carbonaţi de calciu, fluoruri, silicaţi şi feroaliaje. Invelişul bazic asigurã o puritate mare a sudurii şi alierea cu Mn. Se recomandã pentru oţelurile greu sudabile. Dezavantaje:

- sunt higroscopici;

124

- nu asigura stabilitatea arcului; - produc o zgurã aderentã; - electrozi cu înveliş oxidant Conţin oxizi metalici şi silicaţi. Arcul este stabil, dar protecţia bãii faţã de O2 şi N2 este slabã. Se utilizeazã la lucrãri nepretenţioase. - electrozi cu înveliş titanic Au o compoziţie asemãnãtoare cu a celor acizi, dar au TiO2ca substanţã dominantã. Sunt cele mai larg utilizate învelişuri. Produc cusãturi cu rezistenţã mare şi puţin predispuse la fisurare. - electrozi cu înveliş celulozic Conţin 10% celuloza sau alte substanţe organice care au efect reducãtor pentru O2 şi N2, dar introduc H2 în cusãturã. - electrozi cu înveliş rutilic Zgura rezultatã este vâscoasã fapt ce îi recomandã pentru sudurile de poziţie. - electrozi cu învelişuri speciale Se folosesc la sudarea sub apã (cu înveliş nehigroscopic) sau au penetraţie adâncã.

Clasificarea şi simbolizarea electrozilor înveliţi pentru sudarea oţelurilor

nealiate şi cu granulaţie fină

Simbolizarea internaţională a electrozilor înveliţi pentru sudarea oţelurilor nealiate şi slab aliate, conform ISO 2560:1973

Standardul internaţional stabileşte un cod de simbolizare in vederea identificării electrozilor pentru sudarea manuală a oţelurilor nealiate şi slab aliate, având rezistenţa la rupere nominală cuprinsă între 490 şi 50 N/mm2. Codificarea cuprinde patru părţi:

1. Litera E – simbolul general pentru electrozi înveliţi;

125

2. Un simbol indicând rezistenţa la rupere a metalului depus prin sudare;

3. Un simbol indicând energia la rupere KV; 4. Simboluri indicând:

a) tipul învelişului; b) randamentul nominal; c) poziţiile de sudare; d) caracteristicile curentului de sudare; e) conţinutul de hidrogen difuzibil.

Simbolizarea rezistenţei la rupere la tracţiune se face conform

datelor cuprinse în tabelul T 4.9 Tabelul T 4.9

Simbol Rezistenţa la rupere

[N/mm2] 43 430-510 51 510-610

Simbolizarea energiei la rupere KV se face conform datelor cuprinse

în tabelul T 4.10. Tabelul T 4.10

Tipul electrodului

Rezistenţa la rupere, Rm[N/mm2 ]

Alungirea minimă la rupere, A5

[%]

Temperatura la care energia de rupereKV=28 J

[0C] E 43 0 430-510 - - E 43 1 430-510 20 +20 E 43 2 430-510 22 0 E 43 3 430-510 24 -20 E 43 4 430-510 24 -30- E 43 5 430-510 24 -40 E 51 0 510-610 - - E 51 1 510-610 18 +20 E 51 2 510-610 18 0

126

E 51 3 510-610 20 -20 E 51 4 510-610 20 -30 E 51 5 510-610 20 -40

Energia de rupere se determină ca medie a rezultatelor obţinute pe şase epruvete. Dacă media este mai mică decât 16 J, nu sunt îndeplinite condiţiile. Dacă media este mai mare decât 35 J, sunt îndeplinite condiţiile. Dacă media este cuprinsă între 16 şi 35 J, se încearcă încă 12 epruvete. Pentru a se îndeplini condiţiile, media celor 18 rezultate trebuie să fie egală cu 28 J. Simbolizarea învelişurilor se face conform datelor din tabelul T 4.11. Tabelul T 4.11

Simbol Tipul învelişului Observaţii A Acid

AR Acid (rutilic) B Bazic C Celulozic O Oxidant R Rutilicînveliş cu

grosime medie RR Rutilic(înveliş cu

grosime mare) S Alte tipuri

Limita între învelişul cu grosime medie şi cel cu grosime mare corespunde aproximativ unui raport de 1,5 între diametrul exterior al învelişului şi diametrul vergelei.

Simbolizarea randamentului nominal se face conform datelor din tabelul T 4.12. Tabelul T 4.12

Simbol Randament nominal [%]

Observaţii

- <105 110 >105 < 115 120 >115 < 125 130 >125 < 135

Randamentul nominal se determina conform ISO 2401:1972

127

Simbolizarea poziţiilor de sudare se face conform datelor din tabelul T 4.13. Tabelul T 4.13

Simbol Poziţia de sudare 1 Toate poziţiile 2 Toate poziţiile, cu excepţia poziţiei verticale

descendente 3 Poziţie orizontală, orizontală în jgheab, orizontală pe

perete vertical 4 Poziţie orizontală, orizontală în jgheab 5 Poziţie orizontală, orizontală în jgheab, orizontală pe

perete vertical şi vertical descendentă Simbolizarea caracteristicilor curentului de sudare se face conform datelor din tabelul T 4.14. Tabelul T 4.14

Simbol Curent continuu Polaritate recomandată

Curent alternative Tensiune nominală de

mers în gol 0 + - 1 + sau - 50 2 - 50 3 + 50 4 + sau - 70 5 - 70 6 + 70 7 + sau - 90 8 - 90 9 + 90

1) Simbol destinat electrozilor utilizaţi numai în current continuu 2)

(+) Polaritate inversă (polul plus la electrod) (–) Polaritate directă (polul minus la electrod)

3) Tabelul T 4.14 se aplică numai electrozilor cu diametru de cel puţin 2,5 mm

128

4) Frecvenţa curentului alternativ este de 50 sau 60 Hz. Simbolizarea conţinutului de hidrogen difuzibil din metalul depus se face conform datelor din tabelul T 4.15. Tabelul T 4.15

Simbol Conţinutul de hyirogen difuzibil H Numai când nu depăşeşte 15 cm3 la

100g metal depus determinat conform ISO 3690: 1977

Simbolizarea cuprinde o parte obligatorie (simbolul E, caracteristicile mecanice şi simbolul tipului învelişului) şi o parte facultativă (celelalte simboluri). Exemplu de simbolizare:

1) E 43 2R 13 (partea obligatorie este E 43 2R)

2) E 51 3B 160 20 (H) (partea obligatorie este E 51 3B)

Simbolizarea europeană a electrozilor înveliţi pentru sudarea oţelurilor nealiate şi cu granulaţie fină, conform EN 499: 1994

EN 499: 1994 prezintă caracteristicile pentru clasificarea electrozilor înveliţi şi a metalului depus, în stare brută după sudare, pentru sudarea manuală cu arc electric a oţelurilor nealiate şi cu granulaţie fină având limita de curgere ce poate atinge o valoare de 500 N/mm2 după sudare. Simbolizarea se referă la proprietătile metalului depus cu un electrod de 4 mm şi este împărţită în opt părţi:

1) Simbolul produsului/procedeului de sudare – litera E; 2) Simbolul limitei de curgere a metalului depus (conform T 4.16); 3) Simbolul caracteristicilor determinate la încercarea de încovoiere

prin şoc (conform T 4.17); 4) Simbolul compozitiei chimice a materialului depus (conform T

129

4.18); 5) Simbolul tipului de înveliş al electrodului (conform T 4.19); 6) Simbolul randamentului si al tipului de curent (conform T 4.20); 7) Simbolul poziţiei de sudare (conform T 4.13); 8) Simbolul pentru conţinutul de hidrogen difuzibil din metalul depus

(conform T 4.21).

Simbolizarea este împărţită în două părţi:

- partea obligatorie – punctele 1,2,3,4,5; - partea facultativă – punctele 6,7,8.

Exemplu de simbolizare

EN 499 – E 46 3 1Ni B 54 H5 A cărui parte obligatorie este EN 499 – E 46 3 1Ni B

Simbolizarea limitei de curgere a metalului depus conform T 4.16.

Tabelul 4.16

Simbol Limita de curgere [N/mm2]

Rezistenţa la rupere [N/mm2]

Alungirea A5

[%]

35 355 440-570 22 48 380 470-600 20 42 420 500-640 20 46 460 530-680 20 50 500 560-720 18

Simbolizarea caracteristicilor determinate la încercarea de încovoiere

prin şoc conform T 4.17

130

Tabelul T 4.17

Simbol Temperatura medie corespunzătoare unei energii minime de rupere în valoare

medie de 47 J Z Nici o condiţie A +20 0 0 2 -20 3 -30 4 -40 5 -50 6 -60

Simbolizarea compozitiei chimice a materialului depus conform T

4.18 Tabelul T 4.18

Compoziţia chimică 1) 2) 3)Simbolul aliajului Mn Mo Ni Fără simbol

2,0 - -

Mo 1,4 0,3-0,6 - Mn Mo >1,4-2,0 0,3-0,6 -

1Ni 1,4 - 0,6-1,2 2Ni 1,4 - 1,8-2,6 3Ni 1,4 - >2,6-3,8

Mn1Ni >1,4-2,0 - 0,6-1,2 1NiMo 1,4 0,3-0,6 0,6-1,2

Z Orice altă compoziţie convenită

1) Dacă nu se specifică, Mo<0,2; Ni<0,2; Cr<0,2; V<0,05; Nb<0,05; Cu<0,3

2) 2) Valorile singulare date în tabele reprezintă valori maxime; 3) Rezultatele trebuie să fie rotunjite la acelaşi număr de cifre

semnificative ca şi cel al valorilor specificate, utilizând reguli conform ISO 31-0 anexa B, regula A.

131

Simbolizarea tipului de înveliş al electrodului conform T 4.19

Tabelul T 4.19

Simbol Tipul învelisului A Înveliş acid C Înveliş celulozic R Înveliş rutilic

RR Înveliş rutilic cu grosime mare RC Înveliş rutilic-celulozic RA Înveliş rutilic – acid RB Înveliş rutilic-bazic B Înveliş bazic

Simbolizarea randamentului si al tipului de curent conform T 4.20

Tabelul T4.20

Simbol randament Tipul curentului 1) 2)

1 <105 c.a.+c.c. 2 <105 c.c. 3 >105<125 c.a.+c.c. 4 >105<125 c.c. 5 >125<160 c.a.+c.c. 6 >125<160 c.c. 7 >160 c.a.+c.c. 8 >160 c.c.

1) pentru a demonstra posibilitatea de utilizare a curentului alternativ,

trebuie să fie effectuate încercări cu tensiuni de mers în gol cel mult egale cu 65V

2) c.c. = current continuu ; c.a. = current alternative

Simbolizarea pentru conţinutul de hidrogen difuzibil din metalul depus conform T 4.21.

132

Tabelul T 4.21 Simbol Conţinut de hidrogen difuzibil,

ml/100g metal topit, max. H 5 5 H 10 10 H 15 15

In afara acestui tip de electrozi mai exista standarde pentru: - sudarea oţelurilor slab aliate de înaltă rezistenţă şi a oţelurilor utilizate la temperature scăzute EN 757: 1992; - sudarea oţelurilor termorezistente ISO 3580: 1975 EN 1599: 1994 - sudarea oţelurilor inoxidabile şi refractare ISO 3581: 1976 EN 1600: 1994 4.2. Sudarea prin topire Existã o multitudine de modalitãţi de materializãri a principiului fizic al sudãrii , din punct de vedere al formei de energie utilizate, al tipului de electrod utilizat şi a altor modalitãţi concrete de realizare a îmbinãrii sudate. Acestea se pot clasifica dupã cum urmeazã :

A. Dupã starea de agregare a metalului de bazã : I. Prin topire I.1. Cu energie electricã I.1.1. Cu arc electric; Ì.1.2. În baie de zgurã; I.1.3. Cu plasma; Ì.2. Cu energie chimicã I.2.1. Cu flacarã de gaze; I.2.2. Cu termit; I.3. Cu energie de radiaţii II. Prin presiune II.1. La cald

II.1.1. Cu încãlzire cu flacãrã;

133

II.1.2. Cu încãlzire în cuptor; II.1.3. Cu încãlzire electrica; II.2. La rece II.2.1. Cu deformare plasticã la rece; II.2.2. Cu ultrasunete; 4.2.1. Sudarea prin topire cu energie electricã Energia necesarã topirii poate fi obţinutã prin : - descãrcãri electrice în medii gazoase (arcul electric, arcul şi jetul de plasmã) ; - efectul Joule dezvoltat în conductori solizi sau lichizi de curenţii electrici. 4.2.2. Arcul electric la sudare Arcul pentru sudare este o descãrcare electricã stabilã în mediu gazos, la o tensiune relativ micã (de la 10 la câteva sute de volţi ), densitãţi mari de curent (zeci de A/mm2) şi o lungime micã a arcului (câţiva mm pânã la 1-2 cm.) Arcul poate fi alimentat cu un curent continuu sau alternativ. Dupã natura electrozilor arcul electric poate fi: - cu electrod fuzibil (consumabil); - cu electrod nefuzibil; Dupã felul polaritãţii : – directã; - inversã; Dupã felul acţiunii : - cu acţiune indirectã;

134

1 = electrod; 2 = material de adaos; 3 = piesã de sudat

Fig. 4.5. Arcul electric cu acţiune indirecta - cu acţiune directã şi electrod nefuzibil;

a-electrod nefuzibil; b-electrod fuzibil.

Fig. 4.6. Arcul electric cu acţiune directã - cu acţiune directã şi electrod fuzibil;

135

Cel mai frecvent utilizat este arcul electric în curent continuu, cu acţiune directã, cu electrod fuzibil. În funcţionarea arcului electric se succed trei perioade: 1) Perioada tranzitorie de amorsare a descãrcãrii (aprinderea arcului) Aprinderea arcului se realizeazã prin contact metalic între electrodul de sudurã şi piesã. Curentul de scurtcircuit încãlzeşte puternic prin efect Joule zona rezistentã provocând o topire localã, dupã care retrãgându-se electrodul are loc amorsarea propriu-zisã a descãrcãrii . 2) Perioada arcului staţionar, în care arcul arde stabil la o tensiune Ua şi un curent de sudare Is, în urma atingerii unui echilibru cvasistaţionar al fenomenelor de ionizãri recombinãri, disocieri-asocieri. Repartiţia tensiunilor pe arc nu este uniformã. Arcul are trei zone : ZK - zona catodicã ZA - zona anodicã CA - coloana arcului

1 = electrod fuzibil; 2 = metal lichid; 3 = piesã de sudat

Fig.4.7. Amorsarea arcului electric pentru sudare

Cãderile de tensiune mari din zona anodicã accelereazã electronii spre anod şi ionii spre catod. Energia cineticã acumulatã de aceste particule este cedatã la impactul cu reţeaua cristalinã a electrozilor formând pe suprafaţa acestora zone calde cu luminozitate şi densitate de curent mare numite pete electrodice. Vom avea deci o patã catodicã şi o patã anodicã. Temperatura petei catodice atinge 25000 K la fier şi 37000K la wolfram. Temperatura petei anodice atinge 26000K la fier şi 42500K la wolfram. Deci temperatura petei anodice este mai mare pentru cã prin intrarea electronilor în anod se restituie aceastã energie piesei. Când se sudeazã cu polaritate inversã, piesa devine catod şi

136

deci încãlzirea ei va fi mai micã producând o deformare mai micã a piesei.

Zk , Uk , lk =zona catodului, tensiunea şi lungimea ei ZA, Ua , la =zona anodului, tensiunea şi lungimea ei CA , Uc , lc =coloana arcului, tensiunea şi

lungimea ei. Fig.4.8. Repartizarea tensiunii pe lungimea arcului

Arcul electric poate funcţiona stabil la valori diferite ale tensiunii Ua,

curentului Is şi lungimii arcului Legãtura între aceste mãrimi se numeşte “caracteristica statica a arcului”, care de obicei se prezintã sub forma unei familii de curbe Ua=f(Is),având Is ca parametru. 3) Perioada tranzitorie a stingerii arcului . Stingerea arcului se face prin variaţia lungimii arcului (când “l” creşte). Conform caracteristicii statice a arcului , la creşterea lungimii creşte tensiunea şi descãrcarea nu mai poate fi întreţinutã.

137

1-caracteristica sursei de curent;

2-caracteristicile statice ale arcului electric pentru diferite lungimi. Fig. 4.9. Caracteristica staticã a arcului electric

În curent alternativ condiţiile de întreţinere a descãrcãrii în arc sunt mai grele, deoarece perioadele de aprindere, ardere şi stingere se succed cu dublul frecvenţei tensiunii, de câte ori curentul este obligat sã-şi schimbe sensul. La sudarea cu arc electric cu electrod fuzibil picãturile metalice rezultate din topirea materialului de adaos, trebuie sã treacã prin spaţiul arcului pentru a ajunge în baia de sudurã. Picãturile trec întotdeauna spre piesã ,chiar şi atunci când sudându-se la poziţie, ele fac acest lucru împotriva forţelor gravitaţionale. Arcul electric poate fi descoperit (în atmosfera) , în mediu protector de gaz (CO2, Ar, He), sub strat de flux. Pentru fiecare din aceste trei situaţii existã tehnologii de sudare.

138

4.2.2.1. Sudarea manualã cu arc electric descoperit Arcul electric topeşte prin acţiune directa o parte din metalul de bazã şi pe cel de adaos, formând baia comunã de metal lichid, care odatã cu deplasarea electrodului cu viteza vs în direcţia de sudare, se rãceşte formând cusãtura sudatã. Concomitent sub acţiunea arcului învelişul electrodului se topeşte parţial formând o baie de zgurã lichidã protectoare.

Parametrii regimului de sudare manualã cu arc electric sunt: 1. - tipul electrodului 2. - diametrul electrodului 3. - Ua 4. - Is 5. – Vs - viteza de sudare 6. – “n” numãrul de straturi 7. – “p” adâncimea de pãtrundere 8. - tipul polaritãţii In cele ce urmeazã vom defini câţiva dintre parametrii regimului de sudare cu arc electric. Tensiunea arcului la sudare (Ua) - este tensiunea stabilită în timpul sudării, tensiune care întreţine arcul electric. Valoarea ei este cuprinsă între 16 şi 40 V, la un curent de 1000 A. Valoarea Ua depinde de lungimea arcului la. Tensiunea de aprindere a arcului electric (Uap) – este tensiunea la care se aprinde singur arcul electric la un electrod de diametru stabilit. Tensiunea de aprindere necesară este :

- în curent continuu 35 V; - în curent alternativ 60 – 70 V;

Curentul de scurtcircuit (Isc) – este curentul ce se stabileşte prin circuitul de sudură, tensiunea dintre electrod şi piesă devenind Ua = 0. Curentul de lucru la sudare (Is) – este curentul ce se stabileşte prin arcul electric care arde stabil la o anumită tensiune de lucru Ua şi o anumită lungime a arcului. Trecerea metalului topit prin arcul electric se face întotdeauna în sensul electrod – piesă, indiferent de polaritate. 1.Tipul electrodului se alege în funcţie de materialul de sudat. Compoziţia chimicã a electrodului trebuie sã fie cât mai apropiatã de cea a materialului de bazã, ca şi caracteristicile mecanice. Tipul învelişului se alege în funcţie de cele menţionate anterior.

139

2.Diametrul electrodului-de se stabileşte în funcţie de grosimea materialului de sudat S şi de felul îmbinãrii din tabelele existente în literatura de specialitate. De exemplu pentru sudarea cap la cap. S 1,5-2 3 4-8 9-12 13-15 de 1,6-2 3 4 4-5 5 sau, de = 1,5 s Sudarea primului strat se face cu electrod de diametru mic (sub 4 mm) pentru a putea asigura pãtrunderea în spaţiul îngust al rostului. 3. Tensiunea de alimentare a arcului Ua. [20-30] V De regula Ua este trecuta în paşaportul electrozilor. 4. Intensitatea curentului de sudare Is reprezintã intensitatea curentului de sudare. Is =K*de , unde k ∈ [25,60] k=k(de) de 2 3 4 5 6 k 25-30 30-35 35-50 40-55 45-60

5. Viteza de sudare Vs=i

St

FI**3600

*γ

α

αt= coeficient de topire al electrozilor αt =8-l2 g/A ora γ = densitatea Fi = secţiunea cordonului depus la o trecere [cm2]

6. Numãrul de treceri n=i

n

FFF 1−

+1

Fn = aria cordonului de sudurã; Fi = aria unui strat de sudurã; F1 = (6 - 8) de pentru primul strat; Fi = (8 - l2) de pentru celeleate straturi.

7. Adâncimea de pãtrundere p=( 0,3-0,5)*0,022 Ua IsVs

* 8. Polaritatea. Marea majoritate a tablelor se sudeazã cu polaritate normala (cu masa la piesã).

140

Excepţii - electrozi bazici care au înveliş gros - electrozi din oţel aliat - la sudarea tablelor subţiri

4.2.2.2. Pregãtirea tablelor în vederea sudãrii Locul unde urmeazã sa fie plasatã sudura trebuie pregãtit ţinându-se cont de douã cerinţe: - îndepãrtarea impuritãţilor - asigurarea spaţiului cusãturii În acest scop marginile pieselor se prelucreazã în funcţie de grosimea presei şi forma înclinãrii. Piesele pregãtite se prind reciproc printr-un numãr de suduri provizoriu efectuate cu electrozi de diametru mic şi plasate din loc în loc de-a lungul cusãturii. Spaţiul creat între piese se numeşte rost. Forma şi dimensiunile rostului sunt indicate prin STAS 6662-62.

h= înãlţimea; h1= pãtrunderea; b= lãţimea.

Fig.4.10. Forma rostului de sudurã Capetele tablelor sudate se pregãtesc prin diferite procedee tehnologice (aşchiere, ştanţare, debitare oxiacetilenicã). Forma şi dimensiunile rosturilor se aleg în funcţie de grosimea tablelor şi de natura materialului.

Condiţii bune pentru formarea cusãturii se asigurã atunci când secţiunea rostului are 50-60 o

141

Fig. 4.11. Schema rostului

La grosimi mari existã pericolul scurgerii de material topit pe partea

opusã a cordonului, din care cauzã baia trebuie protejatã printr-un cordon de sudura pe partea opusã. Acest cordon este tehnologic, are dimensiuni reduse şi va fi înlãturat ulterior.

Pentru grosimi mici ale tablelor se foloseşte forma „I” cu marginile rãsfrânte.

S1>2 S2>1 e> S1

142

143

Fig. 4.12. Tipuri de rosturi

Fig. 4.13. Sudura de colţ

Fig.4.14. Sudura pe muchie

Fig.4.15 Sudurã pe muchie specialã

144

4.2.3. Tehnologia sudãrii manuale cu arc electric descoperit

Procesul tehnologic al sudãrii manuale cu arc descoperit se desfãşoarã în urmãtoarele faze: 1. Stabilirea condiţiilor şi a regimului de sudare. În funcţie de formele şi dimensiunile pieselor şi de calitatea materialului de bazã se aleg tipul şi mãrimea rostului, parametrii tehnologici ai regimului de sudare, felul electrodului şi al învelişului. Lãţimea cusãturii creşte cu creşterea tensiunii şi rãmâne practic constantã la creşterea curentului şi scade mult cu creşterea vitezei de sudare.

Adâncimea de pãtrundere şi supraînãlţarea cresc cu intensitatea curentului şi scad cu tensiunea şi viteza de sudare. 2. Pregãtirea pieselor pentru sudare Locul unde urmeazã sa fie plasatã sudura trebuie pregãtit ţinându-se cont de douã cerinţe: - îndepãrtarea oxizilor şi impuritãţilor ; - asigurarea spaţiului cusãturii în funcţie de cantitatea de metal topit. În

acest scop marginile pieselor se prelucreazã prin tãiere cu flacãrã sau prin aşchiere. Piesele pregãtite se prind în puncte de sudura („hafturi”).

3. Executarea sudurii Rostul de sudura se considerã pregãtit şi sudura se poate executa atunci când a fost reglatã sursa, regimul de lucru ales şi piesa cuplatã la sursã prin cleme. Se amorseazã arcul în vecinãtatea rostului. Electrodul se ţine înclinat în raport cu normala la cusãturã la 15 – 45o în direcţia şi sensul de sudare. Prin unghiul de înclinare se poate acţiona asupra adâncimii de pãtrundere şi vitezei de rãcire a bãii. Arcul se menţine scurt la o lungime egala cu “de”. Mişcarea electrodului este o combinaţie între : - o mişcare de-a lungul axei electrodului pentru compensarea consumului electrodului ; - o mişcare în lungul axei sudurii pentru realizarea avansului - o mişcare pendulara perpendiculara pe direcţia sudurii pentru încãlzirea marginilor rostului.

145

Mişcarea pendularã poate avea diferite traiectorii în funcţie de grosimea piesei, a electrodului, forma rostului, poziţia sudurii.

a = pentru suduri normale b = pentru încãlzirea suplimentarã a ambelor piese ( grosimi mari ) c = pentru încãlzirea suplimentarã a unei piese d = pentru sudarea în cornişã e = pentru sudarea pe plafon

Fig. 4.16. Traiectorii de mişcãri pendulare ale electrodului

O cusãturã poate fi formatã din unul sau mai multe rânduri. Prin rând se înţelege metalul depus la o singura trecere. El nu poate fi mai gros de dublul diametrului electrodului.

Fig.4.17. Ordinea de depunere a rândurilor într-o cusãturã

Modul de execuţie al unui rând este în funcţie de lungimea cusãturii.

Pentru evitarea deformaţiilor cusãtura se realizeazã pe segmente. a - în rând continuu b - de la centru la margini c - în pas de pelerin Din punct de vedere al continuităţii cordoanelor de sudură, acestea se clasifică în:

146

- cusături continui, când lungimea cusăturii propriu-zise este egală cu cea a îmbinării sudate, neexistând discontinuităţi;

- cusături discontinui, îmbinarea realizându-se din mai multe segmente, fiecare dintre acestea având o lungime de câteva ori mai mare decât grosimea pieselor componente. Cusăturile discontinui pot fi prin puncte sau segmente.

Condiţia de cusătură continuă sau discontinuă rezultă din cea de dimensionare la rezistenţă a îmbinării sudate. Straturile se pot depune în mai multe rânduri şi anume: l) consecutiv şi pe întreaga lungime a cusãturii 2) în cascadã 3) în trepte

Fig.4.18. Ordinea de depunere a porţiunilor în straturi suprapuse

La sudarea straturilor suprapuse porţiunile sudate succesiv se

alterneazã într-un edificiu “zidit” cu sensuri de sudare diferite. Ordinea de depunere a rândurilor şi a straturilor, ca şi modul de

executare a sudurilor într-un rând are ca scop reducerea deformaţiilor pieselor sudate datoritã efectului termic. Aceasta conduce la creşterea preciziei de execuţie a construcţiei sudate şi la micşorarea adaosurilor de prelucrare.

147

Fig.4.19. Modul de executare a sudurii într-un rând la diferite lungimi

a = consecutiv şi pe întreaga lungime a cusãturii; b = în cascadã; c = în

trepte. Fig.4.20. Moduri de dispunere a straturilor

4.2.4. Lucrãri de completare la sudurã

Aceste lucrãri constau din : - curãţirea cordonului de stropi şi zgurã - îndepãrtarea supraînãlţãrii prin aşchiere, din motive funcţionale sau estetice - rectificarea zonei de trecere între metalul de bazã şi faţa sudurii la piesele supuse la solicitãri de oboselã - detensionarea termicã sau prin vibraţii - control tehnic de calitate - vizual sau nedestructiv.

148

4.2.5. Sudura manualã cu electrozi de cãrbune

Aceastã variantã se practicã cu sau fãrã material de adaos, cu unul

sau 2 electrozi de cãrbune. Arcul arde stabil din cauza temperaturii mari a petelor electrodice pe grafit. Electrodul este fuzibil. Lungimea arcului poate atinge 30-50 mm la sudarea cu un electrod şi 100-150 mm la sudarea cu doi electrozi. Procedeul se aplicã acolo unde sudarea manualã cu electrod fuzibil este dificilã (metale uşor fuzibile cu pereţi subţiri) şi la înlãturarea cordoanelor de sudurã sau a materialului de bazã topit prin suflare cu aer comprimat. În acest caz electrodul de cãrbune este cuplat cu un jet de aer comprimat.

4.2.6. Consideraţii tehnologice

În tehnica sudãrii manuale cu arc electric şi electrozi înveliţi este foarte important sã se acorde o mare importanţã mişcãrii electrodului. Aceste mişcãri sunt în funcţie de poziţia de sudare, forma rostului, tipul îmbinãrii, grosimea pieselor. Rândurile pot fi trase sau pendulate. La rândurile trase electrodul executã o mişcare de deplasare în linie dreaptã cu o vitezã constantã. Rândul are lãţimea de 1 - 2 ori diametrul electrodului şi o lungime de 0,8...l,5 ori lungimea electrodului. Mişcarea electrodului este continua dar se pot realiza şi întoarceri în sens invers direcţiei de sudare pentru a preveni scurgerea bãii de metal topit. Datorita lãţimii mici rândul este denumit îngust. Cantitatea de metal depusã este micã, solidificarea se face repede şi rãmân gaze dizolvate în cusãturã. Metalul depus are valori ridicate ale rezilienţei. Rândurile astfel depuse la rãdãcinã se înlãturã dupã terminarea sudurii dupã care se sudeazã din nou. Inlãturarea se poate face prin polizare sau cu arc-aer. Neînlãturarea totala a acestui strat sau depunerea unui strat necorespunzãtor constituie defecte care se pot pune în evidenţã prin gamagrafiere.

La rândurile pendulate se obţin lãţimi de 3...4 ori diametrul electrodului cu o lungime de 0,3...0,5 ori lungimea electrodului. Mişcarea de pendulare are ca scop reducerea vitezei de solidificare a bãii. Cordonul de sudurã astfel depus are caracteristici mecanice foarte bune. Unghiul de înclinare al electrodului este de 20 – 45o faţã de planul perpendicular pe îmbinare. Inclinarea electrodului în planul cusãturii realizeazã suflarea materiilor arse şi a zgurii la suprafaţã. Sudarea cap la cap într-un strat se executa cu electrozi cu pãtrundere adâncã (pulbere de fier în înveliş) şi cu Is

149

maxim. Mişcarea de pendulare este indispensabilã. Sudarea orizontalã în plan vertical (în cornişã) se realizeazã în

urmãtoarea succesiune a straturilor.

4.2.7. Sudarea tablelor şi profilelor subţiri Se considerã subţiri tablele şi profilele cu grosimea mai micã de 3 mm. Pot apãrea strãpungeri şi deformaţii. De aceea la sudarea în curent continuu se recomandã polaritate inversã. Vitezele de sudare trebuie sã fie mari.

Electrozii folosiţi trebuie sã aibã l,6 ; 2 ; 2,5 mm, L= 350 mm şi se recomandã învelişuri rutilice sau celulozice.

Pentru o amorsare uşoarã Vagol = 60 V. La sudura în curent alternativ Uag =75 V. Tablele de grosimi sub l mm se sudeazã prin suprapunerea pe o

garnitura (suport) de cupru sau oţel. Garnitura de oţel rãmâne înglobatã în ansamblul realizat. La sudarea tablelor cu margini rãsfrânte se poate suda cu electrod de cãrbune fãrã material de adaos. Pentru o bunã formare a rãdãcinii se folosesc garnituri de cupru. Electrozii folosiţi au înveliş rutilic.

4.2.8. Sudarea tablelor şi profilelor groase

Sudarea tablelor cu o grosime de peste 6 mm se realizeazã în mod obligatoriu cu rostul prelucrat. Creşterea grosimii tablelor, privitã ca factor constructiv influenţeazã negativ sudabilitatea. În general sudarea tablelor cu grosimi pânã la 25 mm nu ridicã probleme deosebite. Grosimile mari favorizeazã o disipare rapidã a cãldurii, de multe ori sudarea lor necesitând preîncãlzire. Pe mãsura executãrii rândurilor de sudurã temperatura creşte, de unde şi necesitatea opririi sudurii şi rãcirii naturale pânã la 200o C. Cãldura redatã de stratul executat produce o structurã de normalizare stratului anterior solidificat. Forma rostului poate fi X, V, I, U. Rândul de la rãdãcinã este tras. Celelalte sunt pendulate şi pentru a preîntâmpina pericolul fisurãrilor se recomandã sudarea orizontala sau în jgheab. Rãdãcina se crãiţuieşte cu arc-aer apoi se resudeazã. Structurile sudate din table groase sunt rigide, deformaţiile sunt reduse dar câmpul de tensiuni remanente este intens. Sudura în pas de pelerin se aplicã pânã la grosimi de l5 mm. Peste l5 mm grosime se foloseşte sudarea în cascade cu primul rând de 100...300 mm şi celelalte decalate. Un rând depus realizeazã preîncãlzirea urmãtorului. Cusãturile fiind

150

lungi se executã de la mijloc cãtre capete cu 2 sudori. La executarea sudurilor verticale se lucreazã cu 2 sudori de o parte şi de alta a rostului. Secţiunea rândului de sudura nu va depãşi 3de. Rândurile de suprafaţa pot avea o, lãţime de 6de pentru aspect estetic. Se recomandã utilizarea electrozilor bazici. Având în vedere sudabilitatea foarte diferitã a gamei foarte largi de materiale, este imposibil de conceput un proces tehnologic cu caracter general. De aceea anumite etape prezintã o serie de particularitãţi, corespunzãtor grupei de materiale respective. Astfel, se recomandã: Pentru oţeluri carbon şi oţeluri slab aliate - preîncãlzirea şi un tratament termic dacã conţinutul de carbon echivalent este cuprins între 0,45...0,80 %; - sudarea în curent continuu; - se recomandã utilizarea arcului scurt, pentru a nu permite pãtrunderea azotului în cusãturã. Pentru fonte - defectele (rupturi, fisuri) sã se îndepãrteze prin prelucrare mecanicã pe minimum 10 mm şi cu capetele rotunjite la minimum 6 mm; - sudarea sã se efectueze cu electrozi de diametre mici şi folosind curenţi de sudare mici; - poziţia de sudare cea mai recomandatã este cea orizontalã; - sudarea sã se facã la cald, cu preîncãlzire înaltã (600...8000C) sau joasã (200...5000C); - sã se utilizeze curentul continuu, cu polaritate directã şi o densitate de curent de 70...80 A/m2. Pentru aluminiu şi aliajele sale Toate recomandãrile sunt legate de îndepãrtarea pelicului de oxid de aluminiu, care se topeşte la 2.0300C, împiedicând pãtrunderea picãturilor în baia de metal. De asemeni este necesarã o cantitate de cãldurã mai mare pentru a compensa efectele conductibilitãţii termice ridicate.

151

Pentru cupru şi aliajele pe bazã de cupru Recomandãrile au în vedere marea afinitate a cuprului faţã de oxigen cu care formeazã CuO sau Cu2O. Aceşti oxizi formeazã cu cuprul un eutectic „Cu+Cu2O” care se precipitã la marginea grãunţilor cristalini şi conduce la fisurare şi creşterea conductibilitãtii termice. De aceea se recomandã urmãtorul pachet de mãsuri:

- utilizarea unor surse puternice care sã compenseze pierderile prin conductibilitate;

- o preîncãlzire la 250...3000C; - electrozii trebuiesc uscaţi, deoarece hidrogenul

reacţioneazã cu oxidul de cupru formând vapori de apã; - bronzurile se sudeazã greu, deoarece la rãcire rezultã

produşi fragili.

4.2.9 Surse de curent pentru sudarea cu arc electric Dupã cum s-a aratat anterior existã trei parametri importanţi ai arcului electric de sudurã:

intensitatea curentului de sudare; tensiunea de alimentare a arcului; lungimea arcului.

Curba caracteristicã este definitã de relaţia f( IS,Ua,la)=0 . Aceasta ar trebui sã fie o curbã spaţialã şi de aceea pentru a simplifica reprezentarea ei se traseazã Ua=f(IS) pentru diferite lungimi ale arcului electric. Arcul electric formeazã împreuna cu sursa de alimentare un sistem energetic care se caracterizeaza prin anumite proprietati statice şi dinamice. Proprietatile statice sunt :

caracteristica statica a arcului ; caracteristica statica a sursei sau caracteristica exterioara a sursei.

Utilajele de sudat au caracteristici deosebite de ale celorlalte maşini electrice. Sursele de curent pentru sudarea cu arc electric sunt : I. Generatoare de sudura electrica. II. Redresoare de sudura. III. Transformatoare pentru sudura.

Generatoarele de sudura pot fi: 1. Grupuri convertizoare, care constau dintr-un generator de sudura şi un

152

motor electric de antrenare; 2. Agregate de sudura la care antrenarea se poate face cu motoare electrice

şi cu motoare termice Generatoarele de curent continuu trebuie sã satisfacã condiţii speciale impuse de proprietatile arcului:

tensiunea în gol pentru amorsare şi stabilitatea arcului este de 45-50 V, iar pentru electrozi subtiri este de 70 V;

curentul de scurtcircuit sa nu depaseasca cu mai mult de 20-40% curentul de sudura ;

la creşterea intensitãţii curentului de sudare, tensiunea scade ; sã aibã inerţie suficient de mare.

Generatoarele pot fi mobile sau fixe, cu un post sau cu mai multe. Generatoarele se construiesc pe diferite marimi :

20-180 A pentru electrozi cu diametrul mai mic de 4 mm ; 50-350 A, pentru electrozi cu diametrul mai mic de 6 mm ; 400, 600, 1000, 1500 A.

4.2.9.1. Transformatoarele de sudura Transformatoarele de sudura s-au rãspândit odatã cu rãspândirea electrozilor de sudurã înveliţi, ele fiind aparatele de sudurã cele mai simple, mai ieftine, cu randament mai bun decât generatoarele de sudurã şi uşor de întreţinut. Dezavantajul lor major constã în faptul cã au factorul de putere mic şi de aceea trebuiesc construite din conductoare de cupru de secţiune mare şi încarcã asimetric fazele reţelei de alimentare. Polaritatea electrozilor se schimbã de 100 de ori pe secundã. Pentru a mãri stabilitatea arcului în circuitul de sudurã trebuie sã existe o inductanţã care sã creeze o defazare între curent şi tensiune, iar atunci când curentul are valoarea zero, datoritã defazarii, tensiunea arcului sã fie suficientã pentru amorsarea arcului. Arderea arcului este susţinutã datoritã forţei electromotoare de inducţie, la trecerea tensiunii prin zero. În funcţie de intensitatea curentului de sudare, tensiunea de mers în gol a transformatorului se stabileşte între 55 şi 80V. Tensiunea se regleazã la valoarea minimã dar suficientã pentru menţinerea arderii stabile a arcului.

4.2.9.2. Redresoare pentru sudurã Redresoarele pentru sudurã pot avea un singur post sau pentru mai

153

multe. Redresoarele cu siliciu sunt superioare redresoarelor cu germaniu. Ele au drept componentã principalã puntea redresoare. Cele mai rãspândite redresoare Pentru sudurã sunt cele cu punte monofazicã şi cele cu punte trifazicã.

154

4.3 Sudarea cu arc electric sub strat de flux 4.3.1 Generalitãţi

Sudarea sub strat de flux este un procedeu tehnologic de sudare cu arc electric, cu electrod fuzibil, arcul fiind protejat împotriva ciontactului cu gazele atmosferice prin intermediul unui strat de flux. pentru sudurã sunt cele cu punte monofazicã şi cele cu punte trifazica.

4.3. Sudarea cu arc electric acoperit sub strat de flux 1-buncãr flux; 2-tub flexibil; 3-sârmã de sudurã; 4-contact electric; 5-tijã

conducere (pãstreazã constantã distanţa capului de sudare de piesã); 6-casetã sârmã ; 7-mecanism avans; 8-role de antrenare.

1

Fig. 4.22. Schema de principiu a sudãrii sub strat de flux

1 = arcul electric; 2 = stratul de flux; 3 = sârma electrod; 4 = piesa de sudat 5 = baia de metal topit; 6 = cusãtura sudatã; 7 = cavitate; 8 = zgura lichidã;

9 =zgurã solidã. Fig.4.23. Formarea sudurii sub strat de flux

155

4.3.1.1. Principiul metodei

Procedeul de sudare se desfãşoarã complet acoperit. De aceea procedeul impune prin esenţa sa un grad de automatizare, cele douã mişcãri de avans ale sârmei de sudura şi de deplasare longitudinala a arcului neputându-se realiza manual. Avansul materialului de adaos se face întotdeauna automat cu ajutorul unor instalaţii speciale de sudurã care avanseazã sârma prin intermediul unor role de antrenare. Totodatã instalaţia menţine constantã lungimea arcului de sudare. Principial aceste mecanisme sunt de douã tipuri: 1) Automate cu avans variabil la care sursele de alimentare ale arcului au caracteristici puternic coborãtoare .

Atunci când datoritã imperfecţiunii rostului lungimea arcului variazã se va modifica şi tensiunea de alimentare. Turaţia motorului de antrenare a sârmei electrod este reglatã în funcţie de tensiunea de alimentare.

cu aavans variabil cu avans constanr Fig.4.24. Caracteristicile statice ale arcului reglat automat cu avans variabil

Dacã creşte lungimea arcului “l“, atunci creşte şi tensiunea de alimentare Ua, ceea ce conduce la o creştere a turaţiei motorului de antrenare a sârmei şi deci la micşorarea lungimii arcului ”l “. 2) Automate cu arcul reglat cu avans constant În acest caz sursele au caracteristici externe cu panta coborâtoare micã.

În acest caz la variaţii mici ale lungimii arcului de sudare corespund variaţii mari ale curentului de sudare şi variaţii mici ale tensiunii de alimentare. Deci turaţia motorului va fi constantã.

Dupã modul în care are loc deplasarea arcului faţã de piesã sudarea

156

sub strat de flux poate fi semiautomata (avans manual) sau automata (avans automat) . Avantajele sudãrii sub strat de flux sunt : - bunã protecţie faţã de gazele din mediul înconjurãtor - se poate lucra cu densitãţi mari de curent 100 - 200 A / mm2 - pãtrundere buna - vitezã de topire mare - productivitate mare - fum, gaze, noxe puţine - rezistenţa şi esteticã bunã a cordonului de sudurã. De obicei se folosesc surse de curent continuu cu Inominal = 1000 A. Pentru ca autoreglarea sã se desfãşoare bine trebuie ca diametrul electrodului sã fie de 2 mm..

4.3.2 Parametrii regimului de sudare sub strat de flux Fiind un procedeu de sudare cu arc electric , exista un numãr de parametrii ai regimului de sudare sub strat de flux care sunt specifici tuturor procedeelor de sudare cu arc electric. Nu vom insista asupra acestora decât pentru a sublinia anumite specificitãţi.

1) Intensitatea regimului de sudare Is este limitat de supraîncãlzirea materialului şi de tipul de flux folosit. Is se coreleazã şi cu diametrul electrodului de care aparţine domeniului de [2,12], de optim = 5 - 6 mm Is min = l62,5 de - l90 Is max= 13 de2 + 147 de - 87 Is med = Is min + Is max 2

2)Tensiunea arcului (Ua)

Tensiunea micã => lãţimea cordonului micã şi supraînãlţarea mare Tensiunea mare => lãţimea creşte şi pãtrunderea scade Ua = a + b * la a, b constante care depind de felul fluxului şi viteza de înaintare. Dacã tensiunea creşte atunci se manifesta tendinţa de instabilitate a arcului. La sudarea în curent alternativ Ua este mai micã cu 3...5 V Umin în curent continuu este 25...26 V

3) Viteza de sudare reprezintã viteza de înaintare a arcului de-a

157

lungul rostului. Ea influenţeazã forma şi dimensiunile cusãturii sudate. La viteze mici sub 10 m/h se formeazã o cantitate mare de metal topit care se supraîncãlzeşte şi structura îmbinãrii este nefavorabila. La viteze cuprinse între 10 şi 20 m/h arcul electric are o acţiune mai intensã şi pãtrunderea creşte . În intervalul 20...40 m/h , pãtrunderea tinde sã scadã, dar este compensatã de acţiunea arcului asupra piesei, putându-se considera ca pãtrunderea nu depinde de viteza. Peste 40 m/h pãtrunderea scade, lãţimea cordonului scade şi cordonul de sudurã devine mai bombat. Legat de parametrii regimului de sudare trebuie sã avem în vedere urmãtoarele aspecte:

1) Natura curentului Se preferã sudarea în curent continuu. Polaritatea curentului şi

proprietãţile de stabilizare a fluxului influenţeazã viteza de topire a sârmei. Un flux de buna calitate trebuie sã realizeze acelaşi coeficient de topire şi la polaritate directã şila polaritate inversã.

2) Calitatea cordonului de sudurã depinde de respectarea regimului de sudare. Uneori pot apãrea perturbaţii datoritã variaţiei lungimii arcului, variaţiei tensiunii din reţea sau funcţionãrii defectuoase a sursei.

3) Lungimea libera a capãtului sârmei electrod. Lungimea capãtului liber al sârmei trebuie sã fie mult mai micã în raport cu lungimea electrozilor înveliţi, ceea ce permite lucrul cu densitãţi mari de curent. Mãrirea lungimii capãtului liber produce supraîncãlzirea acestuia cu efecte negative asupra stabilitãţii arcului.

Valorile recomandate variazã de la 20 la 100 mm în funcţie de diametrul sârmei.

4) Grosimea stratului de flux Stratul de flux exercitã o anumitã presiune asupra zonei de ardere a

arcului electric şi a bãii de metal topit. Dacã el este gros nu se mai pot evacua corespunzãtor gazele formate , suprafaţa cusãturii devine neregulatã. La grosimi mici, se produc împroşcãri de metal topit, cusãturile sunt neuniforme şi uneori poroase. Lãţimea stratului de flux trebuie sã aibã de 2 - 3 ori lãţimea zonei topite.

158

4.3.3. Tehnologia sudãrii automate şi semiautomate sub strat de

flux Etapele la sudarea automata sub strat de flux sunt: I. Pregãtirea marginilor în vederea sudãrii Realizarea rosturilor cu grad ridicat de precizie se face prin prelucrãri mecanice. În mod curent se foloseşte debitarea cu flacãrã oxiacetilenicã. Zona rostului se curãţã de vopsea şi ulei. Alinierea şi centrarea rosturilor contribuie la uniformitatea cordoanelor realizate, deoarece sudorul nu poate interveni în timpul lucrului, arcul fiind acoperit. Tablele se prind în puncte de sudurã. Pentru amorsarea arcului se prevãd adaosuri.

II. Executarea cusãturii 1. Tablele se pot suda şi fãrã prelucrarea rosturilor pentru sudurile

nepretenţioase. Varianta se aplicã pentru oţeluri sub 0,22%C şi structuri care nu se exploateazã la temperaturi negative. Îmbinãrile au o tendinţã mai mare spre formarea fisurilor datorita formei rostului şi a tensiunilor.

2. Sudarea se executã în mai multe straturi. Tehnologic se are în vedere sã nu se modifice regimul de sudare între straturi, fapt care ar necesita reglaje la echipamentul de lucru. Is se reduce numai la primul strat. Stratul de la rãdãcina sudurii este în cazul sudãrii sub strat de flux un strat”tras”, tehnologic, care are rolul de a susţine baia de metal topit şi de a realiza poziţionarea pieselor în vederea sudãrii. Celelalte straturi sunt straturi tehnologice. Dupã executarea acestora se procedeazã la înlãturarea stratului tehnologic tras, fie prin aşchiere (polizare), fie prin “crãiţuire”(suflare cu arc-aer, utilizând electrozi fuzibili de carbune şi un jet de aer comprimat care înlãtura baia de metal topit). Acest strat trebuie înlãturat în intregime, în caz contrar în zona rãdãcinii vor apare defecte de sudare. Folosirea dispozitivelor de susţinere a bãii de metal topit la sudarea cap la cap asigurã o rãdãcinã uniformã. Deoarece costurile de producţie se majoreazã aceste dispozitive se folosesc la producţia de serie. În cazul sudurii semiautomate se remarcã urmãtoarele particularitãţi: - sudurile semiautomate se aplica pentru cusãturi cu lungime micã; secţiune micã şi acces dificil. Metoda se aplica pentru sudurile de colţ. Capului de sudare

159

i se ataşeazã o pâlnie cu flux şi sudorul realizeazã deplasarea manuala de-a lungul cusãturii. Se folosesc sârme de sudare cu diametrul electrodului mai mic de 2 mm, pentru a se realiza autoreglarea arcului. Lungimea libera a capãtului liber al electrodului este de 20...30 mm. Se sudeazã şi în curent continuu cu polaritate inversã.

160

4.4. Sudarea în medii de gaze protectoare

La sudarea prin topire baia de metal topit trebuie protejatimpotriva contactului cu gazele din atmosferã. Una dintre modalitãtile prin care se realizeazã acest deziderat ste prin utilizarea unui strat de gaz protector, activ sau inert. Arcul electric se poate realiza atât cu electrod fuzibil, cât şi cu electrod nefuzibil. Prezentãm în cele ce urmeazã principalele procedee tehnologice de sudare cu arc electric în mediu de gaz protector. 4.4.1. Sudarea prin procedeul WIG Sudarea prin procedeul WIG este un procedeu de sudare cu arc electric în mediu de gaz protector inert (argon, heliu, amestecuri) la care arcul arde liber între un electrod de wolfram şi piesã. Pentru realizarea cusãturii în spaţiul arcului se introduce din lateral manual sau automat metal de adaos sub formã de sârma. La sudurile pe muchie şi cu margini rãsfrânte procedeul se aplicã fãrã materiale de adaos cu viteze de sudare de 200 m/h. Procedeul se aplicã la sudarea oţelurilor inoxidabile cu crom, nichelşi molibden, a aluminiuli şi a aliajelor acestuia. Pentru sudarea oţelurilor se folosesc surse de curent continuu cu polaritate directã, iar pentru sudarea aluminiului şi a aliajelor uşoare, curentul alternativ. Electrodul se confecţioneazã din W deoarece aceste are temperatura de topire de 3400o C, iar consumarea acestuia în procesul de sudare este foarte redusã. Nu se recomandã polaritatea inversã deoarece temperatura petei anodice este mare şi electrodul ar fi afectat. Dacã totuşi acest procedeu este folosit curenţii de sudare se vor limita la l0 % din valoarea polaritãţii directe. Constructiv vârful electrodului are formã conicã la sudarea oţelurilor şi semisfericã la sudarea aluminiului.

161

1 = arc electric; 2 = lectrod nefuzibil; 3 = metal de bazã; 4 = gaz protector 5 = ajutaj; 6 = perdea gaz protector; 7 = metal adaos; 8- baie de sudurã; 9-

cusãturã. Fig.4.25. Schema de principiu la sudarea prin procedeul WIG

4.4.2. Parametrii regimului de sudare Ca şi la sudarea sub strat de flux , sudarea în mediu de gaz protector fiind un procedeu de sudare cu arc electric , exista un numãr de parametrii ai regimului de sudare sub strat de flux care sunt specifici tuturor procedeelor de sudare cu arc electric. Nu vom insista asupra acestora decât pentru a sublinia anumite specificitãţi.

1) Diametrul sârmei electrod (de) se alege în funcţie de grosimea pieselor , astfel : S 0...2 2...5 5...8 8...12 >12 de 2 3 4 4-5 5...6

162

2) Intensitatea curentului de sudare (Is) Is se adopta în funcţie de valoarea densitãţii de curent admise de electrod. Electrodul se încarcã la valori de curent suficient de mari pentru a realiza un arc stabil şi o concentraţie maximã de cãldurã. La sudarea cu polaritate directã se obţine o bunã pãtrundere şi o lãţime micã a cordonului. În cazul polaritãţii inverse pãtrunderea este mai micã şi lãţimea cusãturii mai mare.

Capãtul electrodului trebuie sa aibã o temperatura apropiatã de cea de topire fãrã a o atinge. În caz contrar apare o picãtura de metal topit în vârful electrodului. În scopul îmbunãtãţirii performantelor tehnologice se foloseşte arcul pulsat care se obţine prin suprapunerea peste curentul de bazã cu intensitate mica şi caracter permanent a unui curent de impuls cu valoare mare şi frecvenţã variabilã. Arcul pulsat are rolul de a regla pãtrunderea. de Is (DC -- ) (DC + ) 1,6 60-150 10-20 2,4 130-230 12-15 3,2 220-310 20-40 3) Tensiunea arcului (Ua) se poate determina cu ajutorul formulei : Ua = 10+0,04 Is Tensiunea de amorsare este de 95 V la W pur şi scade la 40…75 V la cei aliaţi cu thoriu. 4) Gazul de protecţie Argonul se produce şi se livreazã comprimat în butelii. Existã conform STAS 7956-75 cinci tipuri de puritate A,B,C,D,E. El este un gaz mai greu decât aerul şi este cel mai eficace gaz la sudarea prin procedeul WIG. In curent alternativ are efect favorabil la deblocarea peliculei de oxid de pe suprafaţa metalului, uşurând reamorsarea la fiecare jumãtate de perioadã. Heliul este mai uşor decât aerul şi are un potenţial de ionizare mai mare dcât argonul. Se utilizeazã numai la sudarea în curent continuu. 5) Se poate folosi polaritatea directã, obţinându-se o lãţime micã a bãii de metal sudurã şi o pãtrundere mai mare sau polaritatea inversã, când

163

baia de sudurã se lãţeşte, iar pãtrunderea scade.

4.4.3. Tehnologia sudãrii dupã procedeul WIG I. Pregãtirea marginilor în vederea sudãrii. La tablele sub 2mm grosime se foloseşte rãsfrângerea marginilor. Fãrã prelucrare se pot suda table cu grosimi pânã la 8 mm. Prelucrarea marginilor în cazul sudãrii cu material de adaos este similarã ca la sudarea prin procedee obişnuite, dar unghiurile rosturilor sunt mai mici. II. Asigurarea protecţiei cu gaz Gazul este suflat spre baia de sudurã, concentric cu electrodul de W. Realizarea protecţiei rãdãcinii în vederea prevenirii oxidãrii se poate realiza cu ajutorul unor dispozitive speciale.

Pentru a preveni oxidarea capãtului electrodului gazul de protecţie este trimis înainte de amorsare arcului cu 1s şi oprit dupã stingerea arcului. În plus se previne oxidarea bãii de metal topit pânã la solidificare. III. Tehnica de lucru Amorsarea arcului se face pentru o poziţie perpendicularã a pistoletului în raport cu piesa. Se efectueazã mişcãri circulare pe loc pentru formarea bãii, dupa care pistoletul se înclinã la 75 o . Materialul de adaos se introduce intermitent în arc sub un unghi de l5...25 . El se retrage astfel încât sã se menţinã în zona de protecţie a gazului. Arcul electric trebuie menţinut scurt pentru a avea o bunã protecţie a bãii.

164

4.4.4. Sudarea prin procedeul MIG

1 = arc electric; 2 = sârmã electrod; 3 = gaz protector; 4 = metal de bazã

5 = sudurã; 6 = role avans; 7 = tub ghidare şi contact Fig.4.26. Schema de principiu la sudarea prin procedeul MIG

Este un procedeu de sudare cu arc electric în mediu de gaz protector cu electrod fuzibil la care se utilizeazã un gaz inert (argon, heliu). Operaţia de sudare se poate realiza semiautomat sau automat. Metalul de adaos este sub formã de sârma electrod antrenatã mecanic cu role de avans spre zona de îmbinare. Sârma fiind depusã într-o tobã nu se poate curãţa eficient, introducând impuritãţi în baia de sudura. Se foloseşte cel mai frecvent 20% argon - 80% heliu. Sudarea se executa în curent continuu cu polaritate inversã (DC + ). Modul de transfer al metalului de adaos prin arc este funcţie de lungimea liberã a sârmei electrod. Sârma trebuie sã se topeascã cât mai repede prin efect Joule şi al arcului electric. Trecerea metalului de adaos prin coloana arcului se face în urmãtoarele moduri :

165

- transfer în zbor liber (spray - arc); - transfer prin formarea unei punţi (short-arc); - transfer intermediar.

4.4.4.1. Parametrii regimului de sudare prin procedeul MIG Şi în acest caz vom insista numai asupra specificitãţilor parametrilor regimului de sudare aferent acestui procedeu de sudare. - Diametrul electrodului -de - se alege în funcţie de grosimea pieselor de sudat ,de modul de pregãtire al rostului şi de poziţia de sudare. Compoziţia chimica este apropiatã de cea a metalului de baza. - Intensitatea curentului de sudare - Is - se adoptã în funcţie de “de” şi de poziţia de sudare. Modificarea lui Is influenţeazã forma de transfer a metalului de adaos prin arcul electric. Folosirea procedeelor automate de sudare permite lucrul cu intensitãţi mari de curent. De exemplu la sudarea aluminiului în table groase : Is = 650 A pentru de = 3,2 sau 3,6 Echipamentele de lucru sunt concepute special pentru lucrul cu curenţi mari. La creşterea Is transferul metalului prin arc se face sub formã de picãturi fine. La sudurile în poziţie verticalã, şi de plafon, transferul de metal trebuie realizat prin pulverizare. - Lungimea libera a sârmei în afara duzei de contact se adoptã în funcţie

de curentul de sudare.

Le=15-25 mm

166

1-tub ghidare sârmã; 2-ajutaj protecţie; 3-gaz de protecţie; 4-metal de bazã;

Fig. 4.27 Lungimea liberã a sârmei electrod - Gazul de protecţie Debitele de gaz uzuale variazã între 0,7 şi 2,8 m3/h. Valorile ridicate corespund folosirii heliului care are greutatea mai micã decât cea a aerului. Debitul de gaz depinde de materialul de bazã. El este influenţat de curenţii de aer , în special la lucrul în spaţii deschise. Pentru lucrãrile executate pe şantier se realizeazã camere mobile. La sudarea în argon se realizeazã o oarecare instabilitate a arcului. Stabilitatea arcului se asigurã folosind un amestec de argon cu l...5% oxigen. Procedeul se considera tot MIG deşi atmosfera este uşor oxidantã.

167

4.4.5. Sudarea prin procedeul MAG

1-arc electric; 2-sârmã electrod; 3-role antrenare; 4-metal bazã; 5-perdea gaz

protector; 6-curent gaz activ; 7-ajutaj. Fig. 4.28 Schema de principiu la sudarea MAG

Arcul electric se formeazã între sârma electrod şi piesã într-un mediu protector de gaz activ. Pe mãsura topirii sârma se deplaseazã în zona de lucru prin intermediul unui mecanism de avans cu sole. Gazul utilizat este bioxidul de carbon.

168

1-arc electric; 2-sârmã electrod; 3-metal bazã; 4-sursã curent; 5-role

antrenare(împindere); 6-role antrenare(tragere); 7-butelie gaz; 8-reductor presiune; 9-debitmetru; 10-cablu; 11-pistolet sudare; 12-bloc comandã; 13-

perdea gaz; 14-mecanism conducere sârmã. Fig. 4.29 Schema de principiu a instalaţiei de sudare MIG şi MAG

Procedeul prezintã urmãtoarele avantaje: - putere ridicatã de topire, ca urmare a lucrului cu densitãţi mari de curent (200...300 A / mm2). Cantitatea de metal depus atinge 3...4 kg/h ; - productivitate mare prin reducerea timpilor auxiliari comparativ cu sudarea manualã ; - deformaţii reduse dupã sudare, datorita vitezelor de lucru ridicate la densitãţi mari de curent şi polaritãţi inverse; - economicitate - cantitate mare de metal depus în unitate de timp. Unghiul rostului s-a redus la 40o de la 60o datoritã puterii mari de pãtrundere, reducându-se cantitatea de metal depus; - sensibilitate micã faţã de oxizi; - pierderi mici de metal prin stropi 7...8 % . Transferul de metal adaos prin coloana arcului se poate face : - în regim de scurtcircuit (short-arc) Ua = 14...20 V, curenţii de sudare sunt reduşi, iar lungimea arcului este micã. Se foloseşte la sudarea tablelor subţiri şi permite controlul energiei termice introdusã în procesul de sudare. - în regim de pulverizare (spray-arc), arcul având o lungime mare. Ua = 22...25 V. Curenţii de lucru sunt mari iar stabilitatea arcului bunã. Se folosesc la sudarea tablelor cu grosimi peste 5 mm.

169

4.4.5.1. Parametrii regimului de lucru la sudarea MAG

Şi în acest caz vom insista numai asupra elementelor specifice ale parametrilor regimului de sudare prin acest procedeu tehnologic. - Sârma electrod conţine dezoxidanţi şi elemente de aliere. Unele sârme conţin 0,3% titan care are efecte favorabile asupra caracteristicilor mecanice ( σc creşte de 1,2 ori, KCU 2,l ori). de Is min Is max 0,8 50 180 l,0 80 230 1,2 120 280 1,6 200 400 2,4 400 600 Pentru compensarea efectelor produse de reacţiile de oxidare se folosesc sârme de sudurã aliate cu elemente avide de oxigen, cum ar fi Si (0,8...1,0 %), Mn (1,2...1,5%). - Intensitatea curentului de sudare Is se alege în funcţie de grosimea piesei de sudat şi de poziţia de sudare. Ea determina puterea de topire , adâncimea de pãtrundere fiind proporţionalã cu viteza de avans a sârmei electrod. La aceeaşi curenţi de sudare se pot folosi diferite diametre de sârma. Pentru un curent dat, alegând o sârma cu diametru minim se obţine o putere de topire maxima şi creşte adâncimea de pãtrundere. Dacã se urmãreşte un proces de încãrcare se vor folosi sârme de diametre mari. Sârmele subţiri sunt mai scumpe. Is se alege din tabele şi nomograme. - tensiunea de alimentare a arcului Ua se determinã cu ajutorul formulei : Ua = 15+0,05 Is Pentru un anumit diametru de sârma electrod, la fiecare intensitate de sudare exista o singurã tensiune optimã a arcului electric. Creşterea tensiunii arcului conduce la mãrirea lãţimii cusãturii şi scãderea pãtrunderii, scãderea coeficientului de depunere. Tensiuni prea mici conduc la realizarea unor cusãturi cu lãţime micã şi adâncime mare. Ua ∈ [18 ; 30] V - Viteza de sudare este limitatã de posibilitãţile de protecţie ale arcului. La viteza de sudare mare gazul de protecţie rãmâne în urma arcului, eficienţa protecţiei fiind redusã. - Lungimea libera a sârmei electrod se recomanda a se menţine la valori cât mai constante.

170

Le=7-14 mm, pentru IS=50-150 A Le=15-25 mm, pentru IS=200-500 A - Distanta dintre duza de gaz şi piesa Distante prea mici conduc la deteriorarea duzei prin stropi de metal şi radiaţii termice. - Debitul gazului de protecţie Este influenţat de: - forma constructivã a îmbinãrii, - intensitatea curentului de sudare (dimensiunea mai mare a bãii necesitând o protecţie adecvatã) - tensiunea arcului - viteza de sudare - mediul de lucru Valorile curente ale debitelor de gaz sunt în jur de 12 l / min (pentru Is<150 A) şi 20 l / min (pentru Is >150 A) - Polaritatea curentului de sudare Se sudeazã în curent continuu cu polaritate directã la încãrcare şi inversã la sudare. - Pistoletul se va înclina la 75...80o faţã de piesã.

4.5. Tehnologia sudãrii în baie de zgurã Sudarea în baiede zgurã este un procedeu tehnologic prin care se sudeazã piese foarte groase (cu grosimi cuprinse între 40 şi 1000 mm). Schema de principiu este redatã în figura 4.29. În baia de zgura se dezvoltã prin efect Joule o cantitate de caldurã care menţine baia în stare lichidã şi topeşte în continuare materialul de adaos şi parte din marginile piesei. Baia metalicã se rãceşte în partea inferioarã pe masurã ce se formeazã metal topit la partea superioarã. Cusãturã se dezvoltã de jos în sus. Pentru ca zgura şi metalul lichid sã nu curgã, pe marginile laterale ale pieselor se aşeaza “patine” din cupru, care închid spaţiul de sudare. Ele sunt rãcite cu apã şi culiseazã pe verticalã pe mãsura realizarii cordonului de sudurã. Pentru a se ajunge în faza staţionarã a procesului de sudare este necesarã o fazã de formare a bãii topite. Arcul electric se amorseazã analog procedeului de sudare sub strat de flux. Pe mãsura ce se formeazã baia topitã

171

, arcul se stinge şi sursa de caldurã este asiguratã prin efect Joule. Dupã sudare sunt necesare tratamente termice. Procedeul prezintã urmatoarele avantaje :

productivitate de pânã la 300 Kg metal topit / orã, faţã de 2 Kg / orã la sudarea manualã şi 12 Kg / ora la sudarea sub strat de flux;

economie mare de material şi de manoperã; nu necesitã pregãtirea marginilor ;

1-material de adaos; 2-baie de zgura; baie de metal topit; 3-metal de baza; 4-cusatura; 5-patine; 6-material de adios; 7-baie de zgura; 8-baie de metal topit; 9-metal de baza; 10-cusatura; 11-patine.

Fig.4.30. Sudarea în baie de zgurã şi variaţia temperaturii în baia de zgurã

172

4.6.Tehnologia sudãrii şi tãierii cu flacãra de gaze

Sudarea cu flacãrã de gaze este un procedeu care utilizeazã energia termochimicã. În afarã de sudarea propriu-zisa cu flacãrã de gaze se realizeazã şi diverse procedee conexe cum sunt: lipirea tare, încãrcarea prin sudare, tãierea cu oxigen şi gaze, metalizarea, cãlirea superficialã şi curãţirea cu flacãrã. Materialele utilizate sunt: Metalul de baza. Cele mai utilizate metale pentru sudarea cu flacãrã de gaze sunt aliajele fier-carbon de tipul oţelurilor. În mai micã mãsura se sudeazã fontele ,bronzurile şi alama. Procedeul necesitã o sursã de gaze independentã de reţeaua electricã. Prin acest procedeu se realizeazã lucrãri în condiţii de şantier. Oţelurile folosite pentru sudarea cu flacãrã de gaze sunt cele realizate cu conţinut scãzut de carbon (C < 0,20 %) şi elemente de aliere nedepãşind 5%.

Efectele nedorite realizate de sulf (fragilitate la cald) şi fosfor (fragilitate la rece) au impus limitarea lor la valori de ordinul sutimilor de procent. Compoziţia chimicã a metalului de bazã trebuie corelatã cu aspectele fizice şi metalurgice posibile în flacãra de gaze folositã în vederea realizãrii unei tehnologii adecvate. Cel mai frecvent se sudeazã oţelurile pentru cazane şi recipienţii sub presiune, oţelurile pentru ţevi, oţeluri cu granulaţie finã pentru construcţii metalice oţeluri turnate în piese pentru armãturi. Metalul de adaos se prezintã sub formã de vergele metalice. Acesta trebuie sã aibã o compoziţie chimicã şi caracteristici mecanice asemãnãtoare metalului de bazã. Compoziţia chimica pentru diverse tipuri de sârme este reprezentatã în STAS ll26-80. Specific procedeului de sudare cu flacãrã de gaze sunt fluxurile dezoxidante (decapante). Ele au rolul de a dizolva oxizii metalici formaţi şi de a-i transforma într-o zgura uşor fuzibilã. Fluxurile nu au caracter universal fiind folosite în raport cu particularitãţile de sudare. Fluxurile se introduc în zona de sudare prin imersia periodica a vergelei.

173

1 = flacãrã de gaze; 2 = sârmã de sudurã; 3 = metal de bazã

4 = baie de metal topit; 5 = metal depus Fig.4.31 Schema de principiu a sudãrii cu flacãrã

Flacara de sudare constituie sursa termicã care asigurã cãldura necesarã topirii metalului de bazã şi a celor de adaos. Ea se obţine prin arderea acetilenei în oxigen la ieşirea din arzãtor. La o flacãrã de gaze pentru sudare se disting mai multe zone. 1)Nucleul luminos 2)Flacãra primarã 3) Flacãra secundarã

1 = zona rece(amestec de gaze neaprinse) 2 = nucleul luminos; 3 = flacãra primarã

4 = flacãra secundarã; a = flacãra carburantã a= flacãrã carburantã; b = flacãrã oxidantã

Fig. 4.32. Flacãra de sudurã la sudarea cu gaze

174

În nucleul 1 are loc disocierea acetilenei dupã reacţia C2H2+O2 → 2C+2H+O2 şi începutul arderii elementelor de disociere (C+H). Zona conţine carbon liber incandescent care produce o luminã de un alb orbitor. De aceea se numeşte şi con luminos. În zona 2 are loc reacţia de ardere primarã a carbonului şi formarea oxidului de carbon. Arderea primarã se produce cu degajarea unei cantitãţi mari de cãldura, astfel încât aici se dezvoltã temperatura maximã a flãcãrii. 2C+2H+O2 → 2CO+H2+450000[KJ / kmol] Prezenta carbonului şi hidrogenului dau un caracter reducãtor acestei zone. Zona primarã este denumitã şi zona reducãtoare. Temperatura maximã este de 30000C şi se dezvoltã la o distanţã de 2...5mm de conul luminos. Piesele care se sudeazã se dispun la o distanţã de 2...5mm de conul luminos. Flacãra primarã înconjoãrã nucleul luminos şi este transparentã.

1-nucleu luminos; 2-flacãrã primarã; 3-falacãrã secundarã; 4-metale de

sudat; 5-arzãtor. Fig. 4.33 Temperatura diferitelor zone ale flãcãrii oxiacetilenice

În flacãra secundarã, denumitã şi de împrãştiere are loc arderea completã a compuşilor formaţi din zona primarã. Structura şi forma flãcãrii oxiacetilenice depind de compoziţia amestecului gazos.

175

22

2

HCO

=1,1.....1,2 amestec normal, flacãra neutra

PC2H2max=1,5*105MPa;PO2max=5*105MPa Flacãra arde liniştit şi zonele sunt perfect delimitate

22

2

HCO

=1,2...1,5 flacãra este oxidantã

O2 este în cantitate mare. Flacãra este violetã şi arde cu zgomot puternic. Zonele flãcãrii sunt mai reduse ca dimensiuni. Oxigenul conduce la procese de oxidare sau ardere a elementelor materialului de baza. Se foloseşte în special la sudarea alamelor.

22

2

HCO

=0,7...0,9 flacãra are un exces de C2H2si este carburantã.

Conul luminos se lungeşte. O parte din carbon nu se arde şi apare sub forma de funingine. Pentru sudarea materialelor feroase se foloseşte flacãra neutrã sau reducãtoare. Gaze folosite la sudare - Oxigenul utilizat la sudarea cu flacãrã de gaze are puritãţi diferite , dupã

cum urmeazã : 97%(tip 97)

98%(tip 98) 99%(tip 99) Se livreazã în butelii de culoare albastrã la o presiune de 150*105Pa şi având capacitatea de 40dm3 . - Acetilena se îmbuteliazã la maximum 60*105Pa în butelii de culoare

brunã sau se produce în generatoare sau staţii centrale.

Utilajul folosit la sudarea cu flacãrã de gaze Utilajele necesare realizãrii unui cordon de sudurã cu flacãrã de gaze sunt: - Generator de acetilenãcu supapã de siguranţã sau butelie de acetilenã; - Filtru chimic; - Butelir de oxigen cu filtru chimic; - Trusã de sudare;

176

- Furtune pentru conducerea gazelor (roşu pentru acetilenã şi albastru pentru oxigen);

- Accesorii diverse. Generatorulde acetilenã preparã acetilena urmare a reacţiei carbidului cu apa. Arzãtorul pentru sudare se mai numeşte şi suflai şi este un aparat în care are loc amestecul gazos şi arderea lui la un capãt. El poate regla debitele de gaz pentru a realiza flacãra doritã.

1-conductã oxigen; 2-conductã acetilenã; 3-ajutaj conic; 4-secţiunea spaţiului inelar de absorbţie a acetilenei; 5-camera de amestec; 6-ajutaj ieşire.

Fig. 4.34. Schema de principiu a arzãtorului

Dupã principiul de construcţie se deosebesc arzãtoare fãrã injector (alimentate cu gaze la presiuni aproape egale)şi arzãtoare cu injector (alimentate la presiuni diferite). La sudarea cu flacãrã oxiacetilenicã se folosesc arzãtoare cu injector, datoritã presiunilor diferite ale celor douã gaze. Datoritã presiunii mai mari a oxigenului se produce un efect de aspiraţie a acetilenei prin spaţiul inelar 4. Trusele de sudare şi tãiere sunt standardizate conform STAS 4137-70 . Pentru a mãri puterea de încãlzire şi o utilizare mai eficienta a cãldurii dezvoltate se folosesc arzãtoare cu flãcãri multiple. La arzãtoarele simple se face preîncãlzirea materialului cu flacãra secundarã, iar topirea se face cu cea primarã, procesul fiind mai puţin eficient. La arzãtorul cu douã flãcãri, prima flacãrã realizeazã preîncãlzirea ,iar a doua topirea.

4.6.1. Tehnologia sudãrii cu flacãrã de gaze şi oxigen La sudarea cu gaze stabilirea regimului de sudare constã în alegerea puterii arzãtorului, a metalului de adaos, a formei şi a structurii

177

flãcãrii. Caracteristic pentru o anumitã putere a arzãtorului este debitul de amestec gazos care realizeazã o flacãrã cu o anumitã putere caloricã.

Pentru a realiza operaţia de sudare în timp minim cu un consum minim de gaze la alegerea puterii arzãtorului vom avea în vedere grosimea materialului de bazã şi proprietãţile sale termice (temperatura de topire, conductivitate termica). Pentru acetilenã debitul volumetric specific (dm3 /ora) este funcţie de natura materialului ce se sudeazã -oţel 100-150 -fonta 175-250 -alama şi bronz 75-100 Funcţie de grosime se determinã debitul orar de acetilenã. Cu aceastã valoare se alege mãrimea becului necesar din tabel. Corelat cu mãrimea becului în trusa se afla tija respectivã şi injectorul . Becurile sunt în numãr de 8, numerotate de la 0 la 7 şi corespund în ordinea creşterii diametrului gãurii prin care iese amestecul de gaze. Numãr bec 0 ,1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7. Diametrul gãurii becului [mm] Diametrul gãurii injectorului [mm] Grosimea metalului sudat Consumul de acetilena [l / h] Consumul de O2[l / h] Lungimea nucleului luminos Presiunea O2Presiunea C2H2 Diametrul metalului de adaos este în funcţie de grosimea materialului de baza. d 1,5 2,5 3-4 4-5 5-6 6-7 s <1,5 1,5-3 3-5 5-7 7-10 >10 Natura flãcãrii Oţel β=1,1-1,2 normalã Fontã β=0,9-1,0 carburantã Alamã β=1,3-1,5 oxidantã

4.6.2. Pregãtirea rostului

Pentru sudarea manualã cu flacãrã de gaze forma şi dimensiunea

178

rostului sunt conform STAS 6672-74 Pentru grosimi ale tablelor de sudat s<2 , marginile se rãsfrâng Pentru grosimi ale tablelor de sudat s<4 , rostulse prelucreazã în formã de “I”.

Tehnica sudãrii utilizeazã douã metode : spre stãnga şi spre dreapta. Sudarea spre stânga se aplica la table de oţel cu grosimi s<5m. Deplasarea arzãtorului se face de la dreapta spre stânga, iar metalul de adaos se dispune înaintea flãcãrii. Suflaiul şi sârma se înclinã la 450 . Sudarea spre dreapta se aplica pentru tablele cu grosimi s>5mm. Arzãtorul se înclinã la 700 şi electrodul la 450. Metoda este dificilã, necesita experienţã şi este indicatã la sudarea oţelurilor slab aliate. La aprinderea flãcãrii se deschide întâi oxigenul iar la terminarea sudãrii se opreşte mai întâi acetilena.

179

Sudarea prin topire cu termit Sudarea prin topire cu termit este un procedeu tehnologic de sudarea prin topire care are la baza energia termo-chimicã degajatã urmare a unei reacţii de înlocuire a unui metal din oxizii sãi cu un alt metal mai electronegativ. Cea mai frecvent utilizatã reacţie chimicã este cea de înlocuire a fierului din oxidul de fier cu aluminiu sau magneziu. Aceste reacţii se deruleazã într-un interval de timp extrem de scurt (10...15 secunde). Urmare a cantitãtilor mari de energie care se degajã, temperaturile pot atinge 3300oK. Schema de principiu a sudãrii cu termit, care se mai nu,meşte şi sudarea prin turnare, este redatã în figura de mai jos. Amestecul de oxid, aluminiu şi pulbere de magneziu pentru aprindere se introduce în creuzetul 1 şi se aprinde, rezultând topitura. Se scoate dopul 5 si topitura curge în rostul îmbinãrii sudate 7. De obicei se folosesc forme de grafit care fac corp comun cu creuzetul. Cea mai importantã aplicaţie este sidarea şinelor de cale feratã şi tramvai, dar procedeul se mai poate aplica şi în cazul reparãrii unor piese din oţel de gabarit mare.

1-creuzet; 2-oxid de fier şi pulbere de aluminiu; 3-pudrã de aprindere; 4-

capac; 5-dop; 6-topiturã; 7-rost; 8,9-piese de sudat; 10-amestec de formare obişnuit; 11-pâlnie de turnare; 12-piciorul pâlniei; 13-canal de alimentare;

14-rãsuflãtori; 15-cusãturã sudatã; maselotã. Fig. 4.35 Schema de principiu as sudãrii cu termit

180

4.8.Sudarea prin presiune In cadrul procedeelor tehnologice de sudare prin presiune, legãturile interatomice dintre atomii marginali ai pieselor de asamblat se formeazã urmare a curgerii materialului de asamblat sub acţiunea unor forţe de compresiune şi a cãldurii. Datoritã curgerii materialului atomii marginali se apropie şi pot forma legãturile interatomice. Deoarece plasticitatea materialelor creşte odatã cu creşterea temperaturii piesele de asamblat vor fi încãlzite înainte de aplicarea forţelor de compresiune.

Dupã temperatura maximã ce se atinge în timpul sudãrii prin presiune distingem: - sudare prin presiune la rece - temperatura de încãlzire este mai micã

decât cea de recristalizare; - sudare prin presiune la cald în stare solidã - temperatura de încãlzire

este mai mare decât cea de recristalizare; - sudare prin presiune la cald cu topire – se atinge temperatura de topire.

Sudarea prin presiune la cald se face în stare solida când Tr < Ts < Tt sau cu topire când Ts < Tt , unde Tr = temperatura de recristalizare Ts = temperatura de sudare Tt = temperatura de topire

Sursele de încãlzire pot fi indirecte (reacţii chimice exoterme) sau directe (efect termic al curentului electric sau frecare uscata).

În funcţie de sursele de încãlzire sudarea prin presiune poate fi : -cu energie electricã; - cu rezistenţã de contact; - prin inducţie; - cu energie mecanicã; - în puncte; - în linie. - cu energie chimicã. - cu flacãrã de gaze; - cu termit.

4.8.1. Sudarea prin presiune cu încãlzire electricã Sudarea prin presiune prin rezistenţã în puncte-se realizeazã în principiu la trecerea unui curent electric printr-un contact, încãlzirea acestuia la temperaturi înalte, presarea şi rãcirea sub presiune. Se pot suda

181

simultan unul sau mai multe puncte. Dupã modul cum se realizeazã circuitul electric se disting douã variante principale: - sudarea în puncte din douã pãrţi - sudarea în puncte dintr-o parte.

Sudarea în puncte din douã pãrţi se face prin presarea a douã piese 1si 2, între electrozii 3 şi 4, acţionaţi cu o forţã F de pe ambele pãrţi şi conectaţi la secundarul unui transformator de sudare.

1 , 2 = piese de sudat; 3, 4 = electrozi; 5 = sursã de curent

Fig. 4.36 Sudarea in puncte.

Tehnologia sudãrii în puncte presupune corelarea parametrilor principali ai produsului: curentul de sudare, durata de conectare, forţa de apãsare, diametrul electrozilor. Fazele sudãrii sunt: - pregãtirea tehnologicã a fabricaţiei; - aşezarea pieselor; - presarea; - conectarea curentului; - deconectarea şi rãcirea sub presiune; - desfacerea electrozilor; - controlul tehnic final.

182

Presiunea exercitatã de electrozi este de 7...12 daN/mm2 , densitatea de curent este de 80..160A/mm2 pentru oţeluri moi şi 120...360A/mm2 pentru oţeluri rezistente.

Is=6500 [A] P=(50...250)s ts=(0,1...0,2)s, pentru regimuri dure ts=(0,8...1)s, pentru regimuri moi de=2s+3, pentru s<3 mm de=5s, pentru s>3mm D=1,5 de unde,

- „s” este grosimea pieselor de sudat; - Is - intensitatea curentului de sudare; - P - forţa de apãsare; - ts - timpul de sudare; - de - diametrul vârfului electrodului; - D-diametrul electrodului.

Pentru îmbunãtãţirea proprietãţilor mecanice ale punctelor de sudurã

se mãreşte forţa de apãsare spre sfârşitul procesului de sudare. Procesul se aplicã la îmbinarea tablelor şi profilelor subţiri,

confecţionate din oţel carbon, alamã, cupru, bronz, oţel inoxidabil. Diametrul punctului sudat variazã în funcţie de regim şi de grosimea

tablelor între 3 şi 12mm, fiind aproximativ egal cu diametrul electrozilor. Dacã piesele au grosimi diferite, procesul termic este asimetric (pãtrundere inegalã), ceea ce se compenseazã prin dimensiuni diferite ale electrozilor.

Sudarea prin presiune prin rezistenţã în linie este un procedeu tehnoogic de sudare sudare care se realizeazã în acelaşi mod ca sudarea în puncte cu deosebirea cã punctele sunt atât de dese încât se pot suprapune parţial, formând o cusãtura etanşã. Electrozii sunt înlocuiţi cu role. Cel puţin una din role este antrenatã mecanic. Amândouã sunt rãcite cu apã. Prin frecare rolele antreneazã tablele într-o mişcare de avans cu viteza de sudare vs. Sudarea în linie se poate realiza din douã pãrţi sau dintr-o parte. Succesiunea fazelor de sudare este urmãtoarea: - pregãtirea tehnologicã a fabricaţiei; - aşezarea pieselor;

183

- presarea; - antrenarea rolelor; - conectarea sursei; - deconectare sursei şi desfacerea role; - controlul tehnic final. Factorii de baza care determina tehnologia sunt: - Intensitatea curentului de sudare Is, care este de 1,5...2,0 ori mai mare ca la sudarea în puncte, pentru acelaşi material şi aceeaşi grosime. - Forţa de apãsare F, se alege cu 10...30% mai mare decât la sudarea în puncte. - Viteza de sudare vs - Diametrul rolelor este cuprins între 150...300 mm; - Lãţimea zonei active a rolelor „da”

da=2s+2

a = sudarea din douã pãrţi (o cusãturã ); b = sudarea dintr-o parte ( douã cusãturi )

1 = role contact; 2, 3 = piese de sudat; 4 = transformator sudurã; 5 = placã ajutãtoare de cupru

Fig. 4.37. Sudarea în linie

Sudarea prin presiune cu încãlzire la flacãra

Spre deosebire de sudarea prin topire cu flacãrã la care sudura se realizeazã treptat, prin topirea succesivã a marginilor pieselor la sudarea prin presiune se încãlzeşte simultan întreaga zona cu ajutorul unei flãcãri multiple.

184

Temperatura de sudare este in jur de 1470-15200K, iar presiunea 200-400 daN/cm2.

Procedeul se aplica la sudarea ţevilor de diametre mari (300...600mm), şinelor de cale feratã, etc.

4.8.2. Sudarea prin presiune cu încãlzire prin frecare

Face parte din familia procedeelor tehnologice de sudare prin presiune la cald. Încălzirea pieselor de sudat se realizează în acest caz prin frecare. La frecarea unui corp de altul în straturile vecine cu suprafaţa de contact se transmite cãldura rezultata din transformarea energiei mecanice (datorita forţelor de frecare) . Piesele de sudat se montează pe maşini speciale, una dintre ele rămănând fixă, iar cealaltă având două grade de libertate: rotaţie şi deplasare axială sau aflându-se ambele în mişcare de rotaţie dar în sens contrar. Mişcarea de rotaţie se opreşte odată cu atingerea temperaturii de plastifiere. Parametrii tehnologici sunt forţa de apăsare şi timpul cât piesele sunt în contact. Procedeul se aplică pieselor cu secţiune circulară sau inelară, cu grosimi de până la 50 mm. Se pot suda şi materiale diferite. Exemplul cel mai elocvent îl constituie sudarea cozilor sculelor aşchietoare tip burghiu sau freză, în care corpul sculei se confecţionează din Rp3, iar coada din OLC45. Se pot folosi urmãtoarele scheme de încãlzire: - rotirea uneia dintre piese şi presare; - rotirea ambelor piese şi presarea; - rotirea unei piese intermediare şi presarea; - deplasarea alternativa a unei piese şi presare. 4.9. Defectele, controlul si remedierea îmbinãrilor sudate Având in vedere multitudinea factorilor care influenţeaza procesul de sudare posibilitatea apariţiei defectelor este mai mare la sudarea metalelor decât la alte metode tehnologice. Defectele de sudura sunt descrise in STAS 7084-1964. Dintre toate defectele cele mai complexe probleme le ridica apariţia fisurilor. Dupã temperatura la care apare fisura poate fi :

la cald - apare in timpul cristalizãrii primare a baii; (elementele ce favorizeazã apariţia fisurii sunt C, P,S, iar cele

185

atenuatoare Mn, Cr, Mo, V); la rece sub 200 C şi este determinata de mãrimea tensiunilor remanente.

STAS-ul prevede urmãtoarele grupe de defecte : abateri dimensionale (lãţime neuniformã, supraînãlţare, concavitate, mãrimea neuniformã a catetelor);

defecte exterioare ale sudurii (arderea metalelor, pori, fisuri, cratere nesudate, şanţuri marginale, suduri incomplete);

defecte interioare ale sudurii (incluziuni de gaze, zgurã, lipsa de pãtrundere, lipsã de topire, defect de structura, defecte la rãdãcinã);

Controlul sudurilor se poate face: vizual; cu lichide penetrante; cu ultrasunete; prin gamagrafiere;

In general este bine sã se cunoãscã cauzele care au generat defectul, pentru a putea fi remediat şi evitat în viitor. Producerea defectelor este rezultatul unor greşeli de proiectare sau execuţie. Defectele îmbinãrilor sudate pot fi remediabile sau neremediabile (rebuturi). Remedierea defectelor îmbinãrilor sudate se facei în baza unei tehnologii de remediere special elaboratã. Controlul sudurilor se poate face:

1. vizual; 2. prim petode destructive;

- încercãri re rezistenţã (rezistenţa la tracţiune a îmbinãrilor sudate, mãsurarea rezilienţei, determinarea duritãtii, etc);

- încercãri tehnologice (încercarea la îndoire); 3. prin metode nedestructive.

- cu lichide penetrante; - cu ultrasunete; - prin gamagrafiere; Cele mai frecvent întâlnite defecte de sudurã sunt prezentate succint mai jos:

1. Fisurile – sunt defecte care se manifestã sub forma unor discontinuitãţi. Atunci când sunt vizibile cu ochiul liber ele se numesc crãpãturi. Fisurile

186

pot apãrea la cald sau la rece. 2. Porii şi suflurile – sunt cavitãţi umplute cu gaze având suprafaţa de cele

mai multe ori sfericã. Porii apar dacã viteza de evacuare a gazelor este mai mica decât viteza de înaintare a frontului de cristalizare.

3. Incluziunile – sunt defecte de compoziţie chimicã diferitã de cea a cusãturii sudate. Ele pot fi metalice sau nemetalice. Cele mai frecvente incluziuni sunt oxizii, nitrurile şi sulfurile.

4. Lipsa de pãtrundere – se manifestã prin apariţia unuiinterstiţiu între metalul de bazã şi cel depus. Lipsa de pãtrundere micşoreazã rezistenţa mecanicã a îmbinãrii. Ea are ca principala cauzã încalzirea incorectã a electrodului sau a materialului de bazã.

5. Lipsa de topire – reprezintã o legãturã incomplete între materialul de bazã sic el depus.

6. Supraîncãlzirea – constã în creşterea granulaţiei grãunţilor. 7. Arderea – se produce atunci când se depãşeşte temperature de topire. 8. Defectele de formã – sunt date de abatewrile de la forma şi dimensiunile

prescrise ale îmbinãrii sudate. Cele mai frecvente defecte de formã sunt: - lãţimea neuniformã – se datoreazã vitezei de sudare neuniforme, schimbãrii

poziţiei electrodului, variaţiei tensiunii de alimentare a arcului. - suprãînãlţarea – apare datoritã vitezei de sudare mici saua acurentului de

sudare mic. - abaterile poziţiei relative a pieselor de sudat – se datoreazã poziţionarii

incorecte a pieselor de sudat sau manifestãrii tensiunilor interne. - craterul final – apare al întreruperea cordonului de sudurã, mai ales la

capãtul cordonului de sudurã. - rãdãcina nesudatã – are forma unei retasuri. - scobiturile – apar datoritã tpirii excesive. - scrugerile – se datoreazã folosirii unui currnt de sudare prea mare - crestãturile – se materializeazã sub forma unui şanţ pe o parte sau întreaga

lungime a cordonului de sudurã. Apar datorita curentului de sudare prea mare sau a mişcãrii rapide a electrodului.

- stropii – reprezintã particule de metal topit solidificate pe materialul de bazã.

187

a-lãţime neuniformã; b-supraînãlţare; c-convexitate excesivã; d-abatere de

unghi; e-lipsã de coaxialitate; f-rãdãcina nesudatã; g-scobiturã la o sudurã cap la cap; h-scobiturã la o sudurã prin suprapunere; i-scurrgere într-o sudurã cap la

cap; j-scurgere al o sudurã de colţ; k-crestãturã pe toatã lungimea la o sudurã cap la cap; l- crestãturã pe toatã lungimea la o sudurã de colţ.

Fig. 4.38 Defecte de formã

188

4.10 Tratamentele termice ale îmbinãrilor sudate Pentru a preîntâmpina apariţia unor defecte de tipul fisurilor şi crãpãturilor, precum şi pentru a obţine anumite propiretãţi funcţionale, dupã executarea tratamentelor termice trebuiesc executate anumite tratamente termice. Cele mai frecvent utilizate sunt: Recoacerea de omogenizare are ca scop înlãturarea neomogenitãţilor care apar în timpul rãcirii. Acest lucru se realizaezã prin difuzie în stare solidã. Recoacerea de normalizare se aplicã în scopul finisãrii structurii matelografice şi a înlãturãrii unor constituenţi cu duritate mare. Se aplicã acolo unde prin sudare s-a realizat supraîncãlzirea materialului. Recoacerea de detensionare urmãreşte eliminarea tensiunilor interne care apar în timpul sudãrii. Tratamentul constã în încalzire lentã şi menţinere (2…3 minute pentru fiecare milimetru de grosime al pereţilor piesei).Rãcirea trebuie sã se facã cu vitezã mica. Revenirea se aplicã oţelurile care manifestã tendinţa de cãlire în timpul solidificãrii şi rãcirii. Tratamentul constã în încãlzirea sub punctual de transformare şi rãcirea în aer liber. Se obţin structuri cu duritate mai mica.

189

CAPITOLUL 5

ÎMBINAREA PRIN LIPIRE

5.1. Noţiuni introductive Lipirea este o metodã tehnologicã de îmbinare a douã piese metalice aflate în stare solidã, cu ajutorul unui metal de adaos topit, numit aliaj pentru lipit, care se solidificã dupã difuzia sa între atomii marginali ai celor douã piese. Aliajul pentru lipit are întotdeauna o temperaturã de topire mai joasã decât a metalelor de bazã, care spre deosebire de sudare, la lipire nu se topesc. În timpul lipirii se produce o dizolvare şi difuziune reciprocã între metalele de bazã şi aliajul de lipit care trebuie sã dizolve bine metalele de bazã, sã se întindã uşor pe suprafaţa lor şi sã adere cât mai bine de aceasta. Pentru ca lipirea să fie posibilă, materialul de adaos trebuie să aibă o bună capacitate de aderenţă la materialul de bază. Această aderenţă (capacitate de umectare) depinde de compoziţia materialului de adaos, de calitatea şi curăţirea suprafeţelor de îmbinat. Aceste considerente au condus la diversificarea aliajelor de lipit. Aliajele de lipit trebuie să posede în afară de capacitatea de umectare şi alte proprietăţi, cum ar fi :

- fluiditate bună pentru a putea pătrunde în interstiţiile cele mai fine;

- în contact cu metalul de bază să nu formeze compuşi corozivi;

- coeficientul său de dilatare să nu difere mult de cel al materialului de bază;

Aliajul pentru lipit este constituit din materiale neferoase, având uneori o compoziţie chimicã complicatã. Contactul dintre aliajul pentru lipit în stare lichidã şi metalul de bazã în stare solida se poate realiza numai prin completa curãţire a suprafeţelor de îmbinat. Se folosesc fluxuri care au rolul de a dizolva şi îndepãrta oxizii şi de a le proteja împotriva oxidãrii, de a îmbunãtãţii aderarea şi intinderea metalului de lipit pe suprafaţa metalului de bazã. În general nu se poate executa lipirea fãrã flux. Fluxurile pentru lipire trebuie sã se topeascã complet şi sã aibã o acţiune chimicã şi fizicã la temperaturi relativ joase. Avantajele lipirii sunt:

nu necesitã topirea ci doar încãlzirea neînsemnata a metalului de bazã;

190

se menţin structura, compoziţia chimicã şi caracteristicile mecanice ale metalului de bazã;

se asigura îmbinãri curate şi rezistente care în majoritatea cazurilor nu necesitã prelucrãri ulterioare;

evitã tensiunile interne şi pãstreazã forma pieselor; productivitate mare; procedeu simplu, ieftin, utilizând personal cu calificare redusã;

Principalul dezavantaj constã în aceea cã îmbinãrile prin lipire nu pot fi solicitate la temperaturi înalte (mai mari decât punctul de topire al aliajului de lipit). Lipirea nu se recomandã în situaţiile în care se impune demontarea şi reasamblarea pieselor. Ea se utilizeazã frecvent pentru realizarea etanşietãţii. Posibilitatea realizãrii unei îmbini prin lipire precum şi calitatea acesteia depinde de natura materialului de adaos şi de capacitatea de umectare (udare) a acestuia.

I-umectare foarte bunã, α=00-140;

II-umectare bunã, α=150-750; III-umecatre satisfãcãtoare, II-umectare bunã, α=750-900

IV-umecatare nesatisfãcãtoare, II-umectare bunã, α=910-1800

Fig. 5.1 Capacitatea de umectare a materialului de adaos Lipirea poate fi utilizatã pentru toate calitatile de oţeluri carbon şi aliate, aliaje de cupru, aluminiu , nichel, care au un grad bun de umectare. Procedeele actuale de lipire pot fi împãrţite în doua categorii principale:

1. Lipirea moale. 2. Lipirea tare (Brazura).

Diferenţa dintre lipirea tare şi cea moale se datoreazã aliajului de lipit , mai precis, temperaturii de topire şi rezistenţei la rupere a aliajului de lipit. Redãm în tabelul de mai jos diferenţa dintre caracteristicile mecanice şi temeperaturile de topire ale aliajelor de lipit.

191

Lipirea moale Lipirea tare Temperatura aliajului pentru lipit

4250C > 4250C

Rezistenţa la rupere a aliajului de lipit

5- 7 daN/mm2 50 daN/mm2

5.2. Lipirea moale

Se aplicã acolo unde piesele nu au de suportat solicitari mari cum sunt la lucrãrile de tinichigerie casnicã, la cutiile de conserve, instalaţii sanitare, unde principala cerinţã este etanşietatea. Piesele lipite trebuie ferite de caldurã. Cele mai rãspândite aliaje pentru lipirea moale sunt aliajele de staniu şi plumb. Aliajele se toarnã în vergele şi în blocuri. Cele mai folosite fluxuri sunt :

compuşi organici: colofoniul, stearinã; compuşi anorganici: acid clorhidric, clorura de amoniu. Dupã lipire acestea se înlãturã de pe suprafaţa metalului de bazã pentru cã au acţiune corozivã.

Lipirea moale se face cu ciocanul de lipit, cu lampa de lipit, cu suflaiul. Principalele sisteme de aliaje pentru lipire moale sunt:

- aliajele de staniu şi plumb, care au o capacitate de umectare cu atât mai mare cu cât procentul de staniu este mai mare;

- aliajele de staniu şi zinc, care au o plasticitate ridicatã şi o bunã rezistenţã la coroziunea acidã;

- aliajele de plumb; - ALIAJELE DE CADMIU ŞI STANIU;

Fluxurile utilizate la lipire au rolul de a descompune oxizii de pe suprafaţa metalului de bază şi din baia de metal de adaos topit, transformându-i în zgură cu densitate mică, care ridicându-se la suprafaţa băii o protejează şi în acelaşi timp se pot îndepărta uşor. Tehnologia lipirii moi Prima etapã o reprezintã curãţirea suprafeţei de lipit (mecanic sau chimic). Lipirea se poate executa cu:

1. ciocanul de lipit; 2. flacãra; 3. prin imersie - consta în topirea aliajului de lipit într-o

baie în care se cufundã porţiunea de piesã ce urmeazã

192

a fi lipitã. Baia de aliaj de topit este protejatã printr-un strat de flux. Procedeul se foloseşte la producţia de serie.

5.3. Lipirea tare (brazura)

Se executa atunci când este necesarã o rezistenţã la rupere mare a îmbinãrii (pânã la 50 daN/mm2). Aliajele pentru lipirea tare au temperatura de topire peste 4250C. Lipirea se executã la o temperaturã cuprinsã între 900 - 1400 K. Aliajele pentru lipirea tare se împart în douã grupe principale :

1. aliaje Cu-Zn (alame pentru lipit); 2. aliaje cu argint;

La lipirea cu alamã se utilizeazã ca flux boraxul. Aliajele cu Ag pentru lipirea tare sunt Ag-Cu-Zn, la care temperatura de topire scade pe mãsurã ce cantitatea procentualã de argint creşte. În comparaţie cu alamele, aliajele de argint au o rezisteţã mecanicã mare. Ca flux se utilizeazã boraxul. La lipirea tare, în afarã de borax, se mai utilizeazã ca fluxuri acidul boric, fluoruri, cloruri, etc. Tehnologia lipirii tari Etapele procesului tehnologic de lipire tare sunt : - Suprafaţa de îmbinat se curãţã de impuritãţi . - Lipirea cu gaze se realizeazã cu arzãtoare utilizându-se aceleaşi gaze ca la sudarea cu flacãrã. - Fluxurile se aplicã în prealabil în marginile de îmbinat, aliajul pentru lipit se aşeazã între feţe sau lânga locul de îmbinare.

193

CAPITOLUL 6. ACOPERIRI CU MATERIALE METALICE

6.1. Generalitãţi

Acoperirea este metoda de aplicare a unui strat de material pe alt obiect sau în jurul unui alt obiect, pentru a-l îmbrãca total sau parţial, pentru a-l proteja sau pentru a-i modifica aspectul. Acoperirea unui obiect se poate face cu materiale metalice sau nemetalice. Acoperirea cu materiale metalice poarta denumirea de metalizare. Metalizarea urmãreşte:

îmbunãtaţirea unor proprietati mecanice ale suprafeţei (duritate, rezistenţa la uzura, durabilitate);

imbunatatirea unor proprietãţi fizice; imbunatatirea unor proprietãţi chimice; protecţia anticorozivã; realizarea unui aspect exterior plãcut;

Acoperirea cu materialele metalice este precedatã de operaţia de pregãtire a suprafeţei în scopul obţinerii unei aderenţe bune. Acestea pot fi mecanice (sablare, polizare) sau chimice (decapare). Procedeele de metalizare sunt:

1. Pulverizarea. 2. Placarea. 3. Cufundare în metale topite. 4. Amalgamarea. 5. Spoirea. 6. Electro-chimicã. 7. Electro-frecare.

6.2. Metalizarea prin pulverizare

Metalizarea prin pulverizare se efectueazã proiectând metale sau aliaje topite, ori pulverizate din stare topitã pe suprafeţe metalice cu ajutorul unui pistol de metalizat. Prin solidificare particulele proiectate pe suprafaţa de metalizat se sudeazã între ele formând o peliculã aderentã datoritã în special tensiunii superficiale.

194

Un aparat de metalizat trebuie sã conţinã trei categorii de subansambluri care sã asigure realizarea urmãtoarelor operaţii:

1. Topirea metalului de aport. 2. Pulverizarea metalului topit. 3. Antrenarea particulelor formate de un curentul de aer

comprimat cãtre suprafaţa de metalizat. Avantajele metalizarii prin pulverizare sunt:

piesa metalizatã nu se încãlzeşte peste 400 ° K şi deci nu se produc modificãri structurale;

se pot realiza pelicule de grosimi variabile; timp de execuţie mic; cost scãzut;

Dezavantaje pulverizãrii sunt : rezistenta slabã la încovoiere şi tracţiune a peliculei; rezilienţã redusã; piesele metalizate nu se pot supune deformaţiilor plastice;

Domenii de aplicare ale metalizãrii prin pulverizare sunt : recondiţionãri; remedierea defectelor de suprafaţã ale pieselor turnate; protecţia contra coroziunii; realizarea unor suprafeţe refractare; metalizarea materialelor nemetalice;

6.3. Placarea metalelor

Prin placare se înţelege îmbinarea nedemontabilã a douã sau mai multe materiale metalice sub forma de straturi prin intermediul forţelor de coeziune. Piesa stratificatã realizatã prin placare se comportã atât la rece cât şi la cald ca un singur obiect, însumând sau cumulând proprietãţile straturilor componente. Produsele placate se deosebesc de cele metalizate prin pulverizare prin grosimea mai mare a stratului placat. La placare grosimea peliculei ajunge la ordinul milimetrilor. Straturile metalizate nu depãşesc 2-3% din grosimea totalã a obiectului pe când cele placate ajung şi la 20%. Placarea poate fi bistrat sau multistrat, din materiale metalice de diferite naturi. Alegerea straturilor ca grosime şi naturã se face în funcţie de proprietãţile (mecanice, fizice, chimice, etc.) care se urmãresc a se obţine. Suprafeţele de placat se curaţã dupã care se placheazã. Se cunosc mai multe procedee de placare :

1) Prin turnare.

195

2) Prin deformare plasticã. 3) Placarea prin sudare. 4) Placarea prin agregare de pulberi. 5) Placarea prin explozie.

6.3.1. Placarea prin turnare

Se realizeazã turnând metalul de placat pe suprafaţa pregatitã. Piesa de placat se încãlzeşte la 1100 - 1300 K. Aderenţa se realizeazã prin difuziune. Fazele placãrii prin turnare sunt :

pregãtirea suprafeţelor de placat; turnarea metalului de placat; prelucrarea stratului placat (prin aşchiere);

Placarea prin turnare se poate executa prin: 1. Turnarea simultanã sau succesivã a oţelurilor de bazã şi a

celui de placare, printr-un perete despãrţitor care se scoate la momentul oportun.

2. Turnarea oţelului lichid peste plãci din oţelul de placare introduse în prealabil în lingotiera. Aderenţa obţinutã nu este suficientã şi se îmbunãtãţeşte prin presare sau laminare.

Fig.6.1. Schema placãrii prin turnare

6.3.2. Placarea prin deformare plastica

Se realizeazã prin presarea suprafeţelor de placat. În timpul presãrii se produce o deformare plasticã a pãrţilor componente. În mod obisnuit se realizeazã la cald. Deformarea plasticã necesarã placãrii se realizeazã prin: laminare, extruziune, tragere.

6.3.2.1. Placarea prin laminare Se face la temperatura corespunzãtoare laminãrii. Se pot realiza placaje din oţel - oţel; oţel - aluminiu; oţel - nichel; cupru - alamã; oţel - aluminiu - oţel.

196

Fig. 6.2. Schema placãrii prin laminare

6.3.2.2. Placarea prin extruziune

1 = corp extruder; 2 = matriţã; 3 = mandrinã; 4 = matel de bazã

5 = material de placat; 6 = strat placat; 7 = presiune necesarã extrudãrii; 8 = sensul extrudãrii

Fig. 6.3. Schema placãrii prin extruziune Deformarea cea mai importantã este cea a metalului placat. Acest procedeu tehnologic se poate realiza în douã variante : - extrudarea simultanã a metalului de bazã şi a celui placat ; - cextruziunea celor douã metale .

6.3.2.3. Placarea prin tragere Se aplicã barelor şi ţevilor bimetalice. Douã ţevi distincte se pot trage obţinãndu-se o ţeavã placatã.

197

a = placare prin tragere îngol; b = placare prin tragere pe dorn

1 = matriţã; 2 = dorn; 3 = ţeavã de bazã; 4 = ţeavã de placat; 5 = ţeavã placatã Fig. 6.4. Placarea ţevilor prin tragere la rece

198

6.3.3. Placarea prin sudare

Se aplica produselor bimetalice de dimensiuni mari. Metalul de placat se depune printr-un procedeu oarecare de sudare: manual, sub strat de flux, în baie de zgura. Produsul monolit stratificat se prelucreazã prin laminare.

6.4. Principalele domenii de aplicare

Prin aceste procedee tehnologicese pot obţine: 1. table şi benzi placate uni şi bilaterale; 2. materiale metalice multistrat pentru scule; 3. benzi bimetalice pentru contacte electrice; 4. bare şi sarme bimetalice pentru telecomunicaţii; 5. benzi şi bare placate pentru instalaţii chimice; 6. protecţie anticorozivã ( la schimbãtoarele de cãldurã );

Posibilitãţi de combinare ale materialelor metalice în vederea placãrii

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 Oţel X X X 2 Alamã X X 3 Aluminiu X X X 4 Bronz X 5 Aur X X X X 6 Argint X X X X 7 Inox X X 8 Plumb X X X X X 9 Staniu X X X X X X 10 Cupru X X X

199

a , b= table placate unilateral

c = materiale placate multistrat d,e,f = bimetale cu placãri parţiale g = benzi pentru contacte electrice

h…n = placãri prin sudurã o…s = bare şi sârme bimetalice

t…x = bare şi benzi placate interior şi exterior , pentru instalaţii Fig.6.5. Exemple de aplicare a metalizãrii prin placare

6.5. Factorii care influenţeazã aderenţa materialelor placate

La baza tuturor proceselor de placare stã fenomenul de aderenţã. Principalii factori care influenţeazã aderenţa materialelor placate sunt:

1. Legãturile metalice. 2. Presiunea. 3. Temperatura. 4. Structura zonei de contact. 5. Compoziţia chimicã.

200

Influenţa legãturilor metalice -aderenţa - se datoreazã apariţiei legãturilor metalice între suprafeţe. Dacã apropiem douã suprafeţe metalice între ele apar întotdeauna forţe de interacţiune de tip Van Der Valls (distanta este de 102 Ao). În cazul apropierii la distanţe mai mici apar forţe de coeziune. Forţele de interacţiune depind de orientarea axelor cristalografice în cazul monocristalelor. Pot adera atomi care au reţele cristaline cu aceeaşi parametri. Atomii cu direcţia legãturilor cristaline care nu au coincis, vor avea o interacţiune între ei fãra formarea legãturilor metalice. Influenta presiunii - presiunea este mijlocul principal de a aduce în contact doua suprafeţe pentru realizarea difuziunii. Rezistenţa îmbinãrii este în funcţie de deformare. În afara de presiunea totala, aderenţa depinde şi de regimul de presiune aplicat. Influenta temperaturii - cu cât temperatura creste cu atât difuziunea şi aderenta cresc. Influenta structurii zonei de aderenta - tablele din oţel au o aderenţã cu atât mai puternicã cu cât decarburarea este mai mare.

201

CAPITOLUL 7.

PRELUCRAREA PRIN AGREGARE DE PULBERI METALICE

7.1.Noţiuni introductive Prelucrarea prin agregare de pulbere este un procedeu de prelucrare metalurgicã care spre deosebire de metalurgia clasicã, bazatã pe topire şi turnare, constã în obţinerea şi utilizarea pulberilor metalice ca atare sau sub formã de produse sinterizate. Este un procedeu tehnologic de obţinere a pieselor metalice prin compactarea pulberilor metalice sub forma piesei ce se doreşte a fi obţinutã şi consolidarea acesteia prin sinterizare. Sinterizarea este un proces de consolidare a legãturilor particulelor printr-un transfer de masã activat termic şi creşterea rezistenţei dintre particule. Procedeul mai este numit şi metalurgia pulberilor. Caracteristicile procedeului sunt urmãtoarele:

se bazeazã pe fenomenul de sudare a particulelor metalice sub influenţa presiunii şi cãldurii;

evitã topirea şi turnarea metalelor sau a aliajelor lor; permite obţinerea produselor cu configuraţie mai puţin complexã, direct la forma geometricã şi dimensiunile finale;

Avamntajele procedeului sunt urmãtoarele: - gradul de utilizare al materialului se apropie de 100%; - energia specificã necesarã este foarte redusã; - se pot obţine piese cu configuraţie geometricã foarte complexã; - precizia geometricã obţintã şi calitatea suprafeţei este ridicatã; - prin acest procedeu se obţin piese care nu se pot prelucra prin tehnologii

clasici, ca de exemplu wolframul; - se pot obţine piese poroase, autolubrefiante, care pot funcţiona fãrã ungere; - procesul tehnologic se preteazã la automatizare. Avantajele metodei au condus la o producţie de 100.000 tone din pulberi metalice în 1990, numai în spaţiul vest-european. 68% din producţie este utilizatã în industria automobilelor, 14% în constrcţia sculelor. Printre dezavantaje ar trebui sã menţionãm: - preţul ridicat al pulberilor; - limitele impuse copmplexitãtii piesei datoritã limitãrii la un singur plan de

separaţie; - preţul ridicat al sculelor;, ceea ce impune o serie de fabricaţie mare; - proprietãtile materielor sunt afectate de porozitate,

202

Pulberea este un material format din particule de metale pure, de aliaje, de compuşi intermetalici sau de compuşi chimici ale cãror dimensiuni pot varia intre 0,1 şi 1000 micrometri. Mãrimea granulelor utilizate pe scarã industrialã variazã între limite mai restrânse 1 - 400 micrometri. Pulberile metalice se caracterizeazã printr-o serie de proprietãţi fizice şi chimice care determinã în mare mãsurã proprietãţile finale ale produselor obţinute prin agregare de pulberi. Dintre proprietãţile fizice mai importante enumerãm:

1. formarea particulelor: fibroase, lamelare, echiaxiale; 2. calitatea suprafeţei: particule cu suprafaţã netedãa şi regulatã

şi particule cu suprafaţa neregulatã (sunt mai frecvente şi au tendinţa de a se aglomera mai uşor);

3. structura internã: spongioasã, dentriticã sau compactã; 4. repartiţia granulometricã.

Esenţa procesului de obţinere a produselor prin aglomerare de pulberi metalice o constitue operaţiile de formare şi de sinterizare, care determinã apariţia, mãrirea şi stabilizarea suprafeţelor de contact, deci apariţia legãturilor coezive, interatomice între particule. Formarea acestor legãturi de consolidare a particulelor de pulbere se realizeaza prin urmatoarele faze:

1. Formarea legãturilor punct cu punct. 2. Creşterea legãturilor tip punct cu punct şi formarea

suprafeţelor de contact. 3. Creşterea cristalelor noi, sferoidizarea şi disparitia porilor.

Formarea legãturilor punct cu punct apare în masa de pulberi metalice sub forma primelor puncte de contact dintre particule. Prin tasarea pulberilor suprafeţele de contact se mãresc, însã în majoritatea cazurilor aceste suprafeţe rãmân tot instabile. În cazul formãrii cu presare realizarea acestor legãturi este determinatã de compactizarea pulberii prin redistribuirea şi alunecarea particulelor, imprimând asfel semifabricatului o formã stabilã de dimensiunile matriţei. Creşterea legãturilor tip “punct” şi formarea suprafeţelor de contact se produce în timpul sinterizãrii, fiind favorizate de creşterea mobilitãţii atomilor odatã cu creşterea temperaturii. Asfel “punctele” realizate în faza anterioarã cresc lateral, iar nucleele de cristalizare se dezvoltã peste graniţele reţelelor cristaline iniţiale. În continuare datoritã procesului de difuziune şi de curgere plasticã, noii grãunţi se dezvoltã, porii dintre particule se micşoreazã. Creşterea legãturilor tip punct şi formarea suprafeţelor de contact se considerã terminatã, atunci când porii sunt izolaţi între ei.

203

Creşterea cristalelor noi, sferoidizarea şi dispariţia porilor reprezintã ultima fazã în obţinerea produselor prin agregare de pulberi. Creşterea granularã se accentueazã , porii sunt micşoraţi şi eliminaţi treptat. Recristalizarea se realizeazã în trei stadii, în funcţie de temperaturã:

I. (0,3 - 0,4)Tt - recristalizare de suprafaţã; II. (0,4 - 0,45)Tt - recristalizare spaţialã; III. Peste 0,45Tt - recristalizarea de asamblare între particule;

Pulberile metalice se pot obţine prin urmãtoarele metode: 1. Mãcinare în mori cu bile şi vibratoare. 2. Mãcinare în mori cu vartej. 3. Pulverizare din fazã lichidã. 4. Metoda carbonil - obţinerea pulberilor din fazã gazoasã ; se

aplicã pentru Fe, Ni, Co, Cr, Mo, W , pulberile astfel obţinute sunt fine şi pure.

5. Metoda electroliticã.

7.2. Procesul tehnologic de fabricare a produselor prin agregare de pulberi

Operaţii fundamentale sunt :

I. Pregãtirea pulberilor sau a amestecurilor de pulberi. II. Formarea produselor prin agregare de pulberi. III. Operaţii suplimentare ulterioare. IV. Controlul produselor sinterizate.

Formarea pieselor presupune douã etape: - compactarea pulberilor; - sinterizarea. Compactarea este operaţiunea de presare a pulberilor metalice într-o sculã adecvatã (de obicei o matriţã). Etapele procesului de compactare sunt:

a) umplerea; b) retragerea; c) compactarea; d) extragerea; e) eliminarea.

Presiunea de compactare este cuprinsã între 200 şi 700 Mpa, în funcţie de natura pulberii.

204

1-poanson; 2-dozator; 3-masã; 4-matriţã; 5-contrapoanson;

6-compactat din pulbere; 8-plan de evacuare. Fig. 7.1 Ciclul de compactare a pulberilor

Formarea se poate face prin presare :

în matriţã la cald; presarea izostaticã; extrudarea pulberilor; laminarea pulberilor;

Cea mai utilizatã este presarea în matriţã datoritã urmãtoarelor avantaje: calitate superioarã a suprafeţelor cu o mare precizie a geometriei;

porozitatea se realizeazã în limite largi, variind forţa specificã de presare;

productivitate mare; nu necesitã prelucrãri ulterioare; se obţin materiale metalice care nu se pot obţine prin alte metode

205

Sinterizarea - se realizeazã prin încãlzirea semifabricatelor, obţinute în urma formãrii, la o temperaturã ce trebuie sa fie cel puţin cât cea de recristalizare (0,75 - 0,80)Tt . Structura poroasa a produselor sinterizate variazã între 1 şi 30% în funcţie de porozitatea obţinutã la operaţia de formare, precum şi de temperatura şi durata de sinterizare. Dupã obţinerea pieselor finite ele suportã operaţii suplimentare ca:

calibrarea - folositã pentru creşterea preciziei dimensionale; compactizarea - mãrirea densitãţii şi îmbunãtãţirea proprietãţilor mecanice;

Temperatura de sinterizare fiind sub cea de topire a componentelor, sau cel puţin a componentului principal din amestecul de pulberi, fenomenele care predomină în procesul de sinterizare sunt cele de difuzie. Parametrii tehnologici ai sinterizării sunt:

- temperatura de sinterizare; - durata sinterizării; - mediul de sinterizare, care poate fi neutru, oxidant,

reducător sau carburant (se preferă mediile gazoase);

a = formarea legãturilor “punct cu punct “

b = creşterea legãturilor “punct cu punct “ şi formarea suprafeţelor de contact c = dezvoltarea noilor grãunţi cristalini

d = creşterea noilor cristale , sferoidizarea , dispariţia porilor Fig.7.2. Mecanismul sinterizãrii pulberilor metalice cu un singur constituent

Domenii de aplicare sunt : S-au obţinut materiale metalice care nu puteau fi elaborate prin topire, cum ar fi:

206

metale refractare pure - W, Mo, Ta, cu punct de topire foarte ridicat şi turnare practic imposibilã;

materiale dure cu structurã omogenã WC-Co, TiC-Co, care constau din combinarea unui produs dur refractar nedescompus (WC) cu un liant metalic tenace (Co);

De asemenea prin agregarea pulberilor se obţin materiale:

de mare puritate; materiale magnetice; piese de rezistenţã în construcţia de maşini; scule de aşchiere şi pentru deformare plasticã (pastile pentru matriţe diverse).

207

CAPITOLUL 8. TÃIEREA CU TÃIŞURI ASOCIATE

8.1. Generalitãţi

Tãierea cu tãişuri asociate este o metoda tehnologica de prelucrare dimensionalã prin care se realizeazã în obiectul supus prelucrãrii suprafeţe de rupere prin forfecare cu ajutorul a douã tãişuri asociate în mişcare relativã, separând astfel pãrţile tãiate. Procedeele tehnologice de tãiere cu tãişuri asociate prin care se aplicã metoda tehnologicã sunt :

1. Tãierea cu foarfecele. 2. Stanţarea.

Funcţie de caracteristicile materialelor metalice tãierea sau ştanţarea se fac la cald sau la rece (functie şi de grosimea materialului tãiat). Fata de tãierea prin aşchiere sau prin eroziune, tãierea cu tãişuri asociate prezintã urmãtoarele avantaje:

se executã piese de configuraţie complexã prin mişcãri simple;

precizie dimensionala mare; coeficient de utilizare a materialului foarte bun; productivitate mare; posibilitãţi de automatizare; necesitã forţã de muncã slab calificatã.

Dezavantajul cel mai însemnat îl reprezintã costul ridicat al sculelor. Domeniul de aplicabilitate al metodei este în creştere datoritã tendinţei de a se folosi piese cu pereţi subţiri. Ponderea produselor realizate prin tãiere cu tãişuri asociate este de 60 - 75% în industria automobilelor, 60 - 70% la aparate electrice, 95% bunuri de larg consum. Principial procesul de tãiere cu tãişuri asociate este analog pentru procedee de forfecare şi ştanţare, prezentând caracteristici numai din punct de vedere al utilajelor şi sculelor. Fazele tãierii cu tãişuri asociate sunt :

1) Faza deformãrii elastice - care începe imediat dupã atingerea tablei de cãtre elementele active ale sculei şi în timpul cãreia se produce comprimarea elastica a tablei.

2) Faza deformãrii plastice - care începe odatã cu depãşirea limitei de curgere şi în timpul cãreia are loc pãtrunderea elementelor active în metal, îndoirea (la forfecare) sau extrudarea (la ştanţare) a metalului

208

cu o puternicã încovoiere şi întindere a fibrelor. În timpul deformãrilor plastice elementele active pãtrund în metal pe o adâncime de h=(0,1…0,4)g. La sfârşitul etapei tensiunile de forfecare din apropierea muchiilor tãietoare ajung la valorile lor maxime.

3) Faza de forfecare (separare) - începe la muchiile tãietoare odatã cu producerea microfisurilor de-a lungul suprafetelor de lunecare. Forfecarea materialului se încheie când pãtrunderea ajunge la (0,15…0,70)g, cu atât mai mare cu cât plasticitatea este mai ridicatã. În zona tãierii, materialul se ecruiseazã, mãrindu-şi duritatea cu 40 - 60%.

Fig.8.1. Repartizarea tensiunilor la tãierea cu tãişuri asociate

8.2. Tãierea cu foarfecele

209

Operaţiile de debitare a tablelor, benzilor şi a diferitelor profile se executã prin tãiere cu foarfecele de diferite tipuri. Dupã forma conturului de tãiere, forfecarea poate fi dreaptã sau curbilinie, cu contur deschis sau închis. Procesul de tãiere cu foarfecele este caracterizat de o particularitate importantã. La tãierea cu foarfece cu muchii tãietoare paralele, la pãtrunderea lamelor în material apare un moment de rasturnare M=Fd.

a = rotirea tablei şi forţa de distanţare a lamelor

b = forţa de tãiere la forfecare Fig.8.2. Schema procesului de tãiere cu foarfecele

Momentul M roteşte tabla cu un unghi ω. Tabla tinde sã se rãstoarne şi sã intre între cuţite, dând naştere la o forţã T, de distanţare a cuţitelor, care solicitã suplimentar utilajul şi mãreşte jocul faţã de cel optim. Pentru a reduce valoarea unghiului ω de la 10 …20o la 4…5o se procedeazã la strângerea tablei prelucrate cu o forţã S. Valoarea jocului optim la forfecare este Uopt=(0,01…0,2)g, funcţie de σr, de duritatea materialului şi de dispunerea cuţitelor foarfecei.

8.2.1. Utilaje pentru forfecare

Diversitatea mare a pieselor tãiate determinã o diversitate mare a utilajelor necesare. Elementele active ale foarfecelor pot fi :

lame cu mişcare de translaţie sau rotaţie, drepte sau profilate, cu muchii paralele sau înclinate;

210

discuri cu mişcare de rotaţie, cu axe paralele sau concurente, orizontale sau verticale.

Dupã tipul acţionãrii foarfecele pot fi manuale sau mecanizate (cu acţionare mecanicã sau hidraulicã ). Forţa necesarã la forfecare se calculeazã cu urmãtoarele formule:

• pentru foarfece cu lame paralele drepte F=kAτf Unde , A=L.g - aria sectiunii de forfecare şi k=1 - 1,3 , coeficient de corecţie; • pentru foarfece cu lame drepte înclinate

F=kAτf

τr = tensiunea de rupere la forfecare Geometria cuţitului este redatã în figura de mai jos . Fig.8.3. Geometria cuţitului

• Uopt=(0,01…0,15)g - pentru foarfece cu lame paralele drepte

• Uopt=(0,02…0,2)g - pentru foarfece cu lame drepte înclinate

• α=0…3 • g=5…15 pentru materiale rezistente; • g =20…25 pentru materiale moi;

unde, g este grosimea tablei de tãiat , iar U este valoarea jocului dintre cuţite. Utilajele pentru forfecare cele mai folosite sunt foarfecele cu lame paralele şi ghilotina. Ele se utilizează pentru tăieturi relativ scurte (maximum 4500 mm la ghilotina foarfece) şi necesită, în afară de

211

dispozitive de strângere, opritoare pentru poziţionarea semifabricatului faţă de tăişuri. Foarfecele cu discuri paralele simple sau multiple se utilizează pentru realizarea de tăieturi drepte de lungime oricât de mare, vitezele de tăiere variind între 30 şi 100 m/min. . Cuţitele se confecţionazã din oţeluri aliate, cãlite la 55…60 HRC. Tãierea se poate face la cald sau la rece în funcţie de puterea utilajului. Foarfecele cu lame paralele se utilizeazã pentru realizarea de tãieturi scurte şi necesitã opritoare pentru poziţionarea semifabricatului. Viteza de tãiere este de 30…100 m/min. şi deci avem de a face cu utilaje de mare productivitate.

8.3. Ştanţarea Stanţarea este procedeul tehnologic de prelucrare prin tãiere a tablelor ce constã în tãierea dupã un contur închis în separarea completã a unor porţiuni din semifabricat. Benzile, fâşiile şi formatele tãiate cu foarfecele sunt în general semifabricate din care se obţin piese semifinite sau finite prin ştanţare. Ştanţa este o sculã compusã din cel puţin douã elemente active asociate, cu un contur al secţiunii transversale corespunzãtor conturului piesei, ambele sau cel puţin unul dintre ele fiind prevãzute cu muchii tãietoare. În general ştanţa este acţionatã de o presã, unul din elementele active (placa de tãiere) fiind fixat pe masa presei, iar celãlalt (poansonul) fiind fixat pe berbecul presei. Prin ştanţare se efectueazã urmãtoarele operaţii:

Fig. 8.4 Schema de principiu a ştantãrii

Retezarea – tăierea după un contur deschis, pentru separarea

completă a extremităţii obiectului semifabricat.

212

Decuparea – tăierea după un contur închis pentru separarea completă a unei piese din interiorul obiectului semifabricat, partea rămasă constituind deşeul.

Perforarea – tăierea după un contur închis pentru separarea completăsub formă de deşeu a unei părţi din interiorul obiectului prelucrării.

a-decuparea; b-perforarea; 1-deşeu; 2-piesã ştanţatã.

Fig. 8.5 Perforarea şi decuparea

Crestarea – tăierea după un contur deschis, pentru separarea incompletă a unei părţi din obiectul prelucrării.

Şliţuirea – tăierea după un contur deschis, pentru separarea completă sub formă de deşeu a unei părţi de la marginea obiectului prelucrării.

213

1-piesã; 2-deşeu. Fig. 8.6 Sliţuirea

Debavurarea reprezintã operaţia de înlãturare a bavurilor rezultate în

urma forjãrii în matriţã;

214

Tãierea marginilor (tundere) - tãierea dupa un contur închis pentru separarea completã a marginilor neuniforme sau în surplus;

1-semifabricat; 2-porţiuni încreţite; plan separare; 4-piesã finite; 5-

deşeu. Fig. 8.7 Tunderea

Calibrarea prin tãiere - tãierea dupa un contur închis, pentru separare

completã sub formã de deşeu a surplusului de material în scopul mãririi preciziei de prelucrare;

8.3.1. Particularitãţi ale procesului de tãiere la ştanţare În afara unor operaţii de retezare, care sunt identice cu operaţile de forfecare, operaţile de ştanţare sunt caracterizate de prezenţa elementelor active (poanson, placã de tãiere). Conturul decupãrii este închis sau semiînchis. Particularitãţile ştanţãrii sunt :

• obiectul supus prelucrãrii nu poate fi rãsturnat ci eventual încovoiat;

• deformaţiile elãstice ale porţiunii separate din obiectul supus prelucrãrii determinã fixarea prin strângere ale acestora în deschiderea plãcii;

Procesul de ştanţare este influentat de urmãtoarele elemente :

215

• materialul prelucrat (natura, gradul de ecruisare prealabilã, forma şi dimensiunile conturului ştanţat);

• ştanţa (mãrimea şi uniformitatea jocurilor, forma profilului transversal);

• tipul operaţei; • lubrefiantul folosit; • viteza de lucru;

Dintre toţi factorii, cel mai important este jocul bilateral dintre placa de tãiere şi poanson. j = Dpt - Dp = Zu [mm] unde: Dpt = dimensiunea orificiului în placa de tãiere; Dp = dimensiunea poansonului; Jocul dintre placa de tãiere şi poanson determinã calitatea tãieturii, durabilitatea ştanţei şi consumul de energie. [mm] j C g C g= ⋅ + ⋅1

22

Oţel

carbon Oţel aliat

Cãlit

C1 0,008 0,010 0,03 C2 0,040 0,080 0,20

Jocul se micşoreazã la perforarea orificiilor cu pereţi netezi şi se mãreşte la decuparea pe prese rapide (peste 200 curse/min). În procesul exploatãrii ştanţei, muchiile tãietoare ale elementelor active sunt supuse uzurii, ceea ce conduce în final la mãrirea jocurilor. Forta de ştanţare F=kAt r=L.g.k.t r Pentru micşorarea forţelor de tãiere la ştanţarea materialelor groase se utilizeazã ştanţe cu muchii tãietoare înclinate =1…80. Forţa nominalã a presei trebuie sã fie cu 2 - 15% mai mare decât forţa necesarã pentru ştanţare.

216

Clasificarea ştanţelor. Având în vedere marea diversitate a ştanţelor urilizate în practicã se impune clasificarea acestora , dupã cum urmeazã :

1) Dupa natura operaţilor simple : • de decupat; • de perforat; • de retezat; 2) Dupa natura operaţilor combinate: • decupare şi perforare; • decupari; 3) Dupa asocierea în timp a operaţilor concentrate: • cu acţiune simultanã - operaţile se executã într-o singurã

cursã; • cu acţiune succesivã - operaţile se executã succesiv la câteva

curse ale presei; 4) Dupa gradul de universalitate (specializare):

- ştanţe speciale - cu care se pot executa piese de un singur tip cu dimensiuni identice; - ştanţe specializate - cu care se pot executa piese de acelaşi tip şi dimensiuni diferite efectuându-se unele mici modificãri;

Elementele constructive ale unei ştanţe sunt date în figura 8.8 . Poansoanele şi plăcile de tăiere se execută din oţeluri carbon de scule (OSC) sau oţeluri aliate de scule (C120) tratate termic la 55-60 HRC pentru ştanţarea la rece şi 45-55 HRC pentru ştanţarea la cald. Desfăşurarea operaţiilor de ştanţare, construcţia ştanţei şi a dispozitivelor necesare este determinată în principal de croirea semifabricatului. Prin croire se înţelege determinarea dimensiunilor obiectului semifabricat (fâşie, bandă, tablă) şi amplasarea în cadrul acestuia a produselor cu formă şi dimensiuni determinate, în vederea tăierii.

217

Etapele tehnologice ale procesului tehnologic de ştanţare sunt :

1) Tãierea materialului în fâşii; 2) Croirea; 3) Stabilirea utilizãrii optime a deşeurilor;

Fig.8.8. Elementele componente ale ştanţelor

Etapele croirii sunt :

1) Croirea fâşiei (a benzii), care constă în amplasarea pieselor în fâşie, stabilirea necesităţii puntiţei şi a mărimii ei şi se încheie cu stabilirea lăţimii şi lungimii fâşiei. Necesitatea şi mărimea puntiţei este recomandată tabelar în literatura de specialitate.

2) Croirea tablei constă în amplasarea fâşiilor şi alegerea unor dimensiuni ale tablei, astfel încât din formatul respectiv să rezulte un număr maxim de piese şi deşeu minim.

3) Stabilirea utilizării deşeurilor rezultate la croirile anterioare, pentru stanţarea altor piese.

218

La croirea optimă nu se ia în considerare numai coeficientul de utilizare al materialului, ci toţi factorii care determină costul minim al piesei ştanţate.

a-fãrã puntiţe; b-cu puntiţe laterale(pl) sai puntiţe intermediare (pi).

Fig. 8.9 Variante de plan de croire

219

CAPITOLUL 9. TAIEREA ŞI DEBITAREA METALELOR

În vederea executãrii pieselor ce urmeazã a fi montate în maşini şi utilaje se folosesc semifabricate tãiate în prealabil la dimensiunile necesare din table, bare, ţagle, benzi, profile, etc. Operaţia de taiere din laminate a semifabricatelor se numeşte debitare şi se poate efectua prin :

aşchiere; abraziune; forfecare; fricţiune; tãiere termicã; cu microaşchii;

9.1. Debitarea prin aşchiere Acest procedeu se utilizeazã la obţinerea din laminate cu profil transversal constant a unor piese cu lungimi relativ precise. Suprafeţele rezultate din debitare sunt relativ netede şi sunt plane. Debitarea prin aşchiere se face pe ferestrãu alternativ, circular, cu bandã sau prin strunjire. Debitarea pe ferestrãu reprezintã un procedeu de prelucrare prin aşchiere. În toate cazurile mişcarea principalã de aşchiere este a sculei ca şi mişcarea de avans , semifabricatul fiind întotdeauna fix. Sculele utilizate sunt : lame, discuri sau benzi prevãzute cu o danturã aşchietoare. Ele se confecţioneazã din oţeluri de scule înalt aliate, cãlite şi sunt rãcite în timpul aşchierii. În ambele cazuri semifabricatul se fixeazã în menghinã cu fãlci, iar scula executa atât mişcarea principalã cât şi cea de avans. Semifabricatele destinate debitãrii pot fi şi piese forjate sau turnate. Ele se pot reteza individual sau prin strângererea lor în pachet, dacã au grosime micã. Prin aceste procedee se pot debita orice semifabricate în afara tablelor. Semifabricatele de dimensiuni mici se debiteazã pe ferestrãu alternativ, iar cele de dimensiuni mai mari (peste 150 mm) pe ferestrãu circular. Viteza de avans este de ordinul zecilor de mm / min. . Debitarea pe strung se face în cazul laminatelor rotunde sau hexagonale cu dimensiune pânã la 60 mm (dimensiunea interioara a axului principal).

220

Se folosesc cuţite de strung standardizate sau profilate din oţel rapid sau carburi metalice, cu grosimi intre 2 şi 8 mm . Viteza de aşchiere este de max. 100 m / min., iar viteza de avans de 0,05.. 0,2 mm / rot..

9.2. DEBITAREA PRIN ABRAZIUNE Debitarea prin abraziune reprezintã un caz particular al debitãrii prin aşchiere, caracterizat prin aceea cã scula folositã este un disc abraziv îngust care se roteşte cu o viteza de 50 … 80 m / s. Schema de lucru este aceeaşi ca în cazul debitãrii cu ferestrãul circular, deosebirea constând în natura şi valorile vitezelor de lucru. Metoda este foarte productivã, accesibilã, nu necesitã utilaje complexe şi se foloseşte în special la debitarea barelor şi a ţevilor de dimensiune micã. Procedeul se aplica şi la retezarea reţelelor de turnare la piesele turnate în special din aliaje neferoase.

9.3. TÃIEREA PRIN FORFECARE Acest procedeu utilizeazã pentru retezare douã tãişuri asociate care solicitã semifabricatul la forfecare. Este un procedeu de tãiere cu tãişuri asociate. Tãierea se face pe foarfeca ghilotinã sau combinatã, fie pe prese mecanice sau hidraulice. Se foloseşte mai ales pentru debitarea profilelor de dimensiuni mici (mai mici de 20 mm). Productivitatea procesului este foarte mare, datoritã faptului cã tãierea se realizeazã dintr-o singurã cursã activã. Tãietura asigurã o suprafaţa curatã şi precisã în cazul tablelor şi profilurilor nu prea groase (pânã în 20 mm), dar la materialele cu grosimi mai mari o parte din suprafaţã tãieturii este rugoasã şi neregulatã, iar zona din apropierea tãieturii este deformatã plastic. 9.4. DEBITAREA PRIN FRICŢIUNE În acest caz se foloseşte ca sculã un disc sau o banda metalicã fãrã danturã ce realizeaza viteze principale mar,i 80 - 150 m/s, fapt ce permite realizarea unor forţe de frecare mari între sculã şi semifabricat, chiar la forţe de apãsare mici. Din aceastã cauzã materialul semifabricatului se încãlzeşte în zona de contact pânã în domeniul plastic sau chiar de topire, fiind strãpuns de disc. O micã cantitate de material se pierde prin ardere. Sculele folosite (discurile) se confecţioneazã din oţel refractar. Productivitatea este foarte mare, iar procedeul se foloseşte mai ales la debitarea pieselor subţiri.

221

9.5. TÃIEREA TERMICA A METALELOR Separarea semifabricatelor se face pe seama arderii unei cantitãţi de metal din zona tãieturii. Existã mai multe procedee de tãiere termicã :

a) cu oxigen; b) cu plasmã; c) cu laser;

A) TÃIEREA CU OXIGEN Este procedeul de tãiere termicã cel mai rãspândit. Prezentãm mai jos diferite variante ale acestui procedeu tehnologic : 1. TÃIEREA CU OXI-GAZ Metalul se încălzeşte cu ajutorul unei flăcări de gaze, după care se proiectează asupra lui un jet de O2. Pentru ca un aliaj să se poată tăia prin acest procedeu, el trebuie să îndeplinească următoarele condiţii :

1) temperatura de ardere să fie mai mică decât temperatura de topire;

2) oxizii formaţi să fie uşor înlăturaţi; 3) conductibilitatea termică a materialului să fie mică;

Oţelul carbon hipoeutectoid îndeplineşte toate aceste condiţii. 2. TĂIEREA CU OXIGEN ŞI CU FLUX Se aplica la tăierea oţelurilor inox, refractare, fontelor şi a aliajelor de cupru. La acest procedeu, în jetul de O2 care intră în arzătorul oxigaz este antrenat un flux pulverizat care arde în O2 cu degajarea unei cantităţi de căldură suplimentară. Fluxul este alcătuit din pulbere de fier şi fondanţi ca silicaţi şi carbonaţi de calciu. B) TĂIEREA CU PLASMĂ Plasma este un gaz puternic disociat şi ionizat, compus dintr-un amestec de electroni, ioni pozitivi şi atomi, conţinând 109 particule electrizate întrun cm3.

222

Se utilizează din ce în ce mai larg datorită avantajelor pe care le prezintă faţă de celelalte procedee de tăiere termică a metalelor, datorită următoarelor avantaje :

- productivitate ridicată; - posibilitatea tăierii aliajelor refractare la grosimi mari; - tăieturi înguste şi fără bavuri;

Pentru tăiere se foloseşte un arc sau jet de plasmă care încălzeşte, arde şi îndepărtează metalul din zona tăierii. Jetul de plasmă se foloseşte pentru tăierea aliajelor metalice cu grosimi până la 8-10 mm, iar la grosimi mai mari se foloseşte arcul de plasmă. Vitezele de tăiere sunt de 250-1250 mm/min.

Conducerea jetului de plasmă se poate face manual sau automatizat. C) TĂIEREA CU LASER Este un procedeu modern pentru tăierea sau prelucrarea foarte fină a oricăror materiale metalice sau nemetalice în scopul îndepărtării unor cantităţi foarte mici de material sau al tăierii. Se utilizează un fascicul laser care dezvoltă pe un spaţiu foarte mic temperaturi până la 18000 °C. Lăţimea tăieturii este de ordinul sutimilor sau zecimilor de milimetru, iar piesele ce se taie sunt de obicei subţiri. Viteza de tăiere scade cu grosimea semifabricatului. Se foloseşte în industria electronică şi optică (debitări de elemente semiconductoare sau lentile). 9.6. Tăierea cu microaşchii Metoda foloseşte eroziunea electro-mecanică sau electro-chimică. Unul din procedeele utilizate este tăierea anodo-mecanică, care foloseşte drept sculă un disc sau o bandă care realizează o mişcare relativă faţă de semifabricat. Scula poate fi chiar un fir metalic (vezi tăierea cu fir).

9.7. Tăierea cu oxi-arc Ca sursă de căldură pentru încălzirea piesei până la temperatura de amorsare a arderii se foloseşte arcul electric de sudură. Arcul electric se obţine între un electrod consumabil tubular şi piesa de tăiat. Prin electrodul tubular se insuflă oxigen. Electrozii se confecţionează din oţel cu conţinut scăzut de carbon şi au diametrul interior de 2 – 4 mm, iar grosimea peretelui de 3-5 mm. Nu se poate evita o

223

concentraţie mai mare de căldură în zonă şi deci topirea parţială a muchiilor superioare ale tăieturii.

9.8. TĂIEREA TERMICĂ SUB APĂ

Datorită faptului că atât flacăra oxi-acetilenică cât şi arcul electric ard sub apă, ambele metode se pot utiliza la tăierea sub apă. Arzătoarele utilizate sunt speciale prin ele insuflându-se şi aer, care va forma o bulă pentru protejarea flăcării. Flacăra se aprinde deasupra apei, după care se dă drumul aerului comprimat. Materialul se încălzeşte până la temperatura de amorsare a arderii, după care se începe insuflarea oxigenului şi deplasarea arzătorului de–a lungul tăieturii. Încălzirea materialului, produsă de acţiunea combinată a sursei exterioare şi a căldurii degajate de procesul de oxidare conduce la formarea unei zone de influenţă termică în care apar inevitabil structuri de supraîncălzire şi călire, care modifică proprietăţile locale îndeosebi pe cele de călire. În cazul în care modificările sunt dăunătoare piesei se înlătură aproximativ 2 mm din piesă prin aşchiere.

224

CAPITOLUL 10

TEHNOLOGII NECONVENTIONALE 10.1.Noţiuni introductive privind prelucrarea prin eroziune

Există situaţii când metodele de prelucrare prin aşchiere, deformare plastică sau turnare devin nesatisfăcătoare din punct de vedere economic sau chiar imposibil de aplicat, cum ar fi :

- prelucrarea unor piese din materiale foarte dure; - suprafeţe de prelucrat cu configuraţie complexă; - piesa supusă prelucrării are o rigiditate insuficientă;

Aceste limitări au determinat apariţia şi dezvoltarea unei metode de prelucrare dimensională bazată pe utilizarea proceselor de eroziune. Ritmul înalt de dezvoltare economicã este indisolubil legat de perfecţionarea tehnologiilor de fabricaţie. Acest lucru nu presupune însã renunţarea totalã la tehnologiile convenţionale în favoarea celor neconvenţionale , ci utilizarea fiecãreia în domeniul în care conduce la o eficienţã maximã. In figura 11.1. se prezintã variaţia productivitãţii funcţie de prelucrabilitatea în cazul celor douã tipuri de tehnologii :

- convenţionale (curba 1) - neconvenţionale (curba 2)

Piesele cu prelucrabilitate dificilã se definesc ca fiind acelea executate din materiale cu duritate mare. Având în vedere aceastã reprezentare se preconizeazã pentru viitorii ani o pondere a tehnologiilor neconvenţionale de 100 % pentru materialele cu prelucrabilitate foarte dificilã, 90% în cazul pieselor cu prelucrabilitate dificilã şi numai 30 în cazul pieselor cu prelucrabilitate normalã. Procesele de eroziune sunt definite ca procese de distrugere a integrităţii straturilor de suprafaţă ale obiectului supus eroziunii. Energia conţinută de agentul coroziv poate fi de natură electrică, electromagnetică, electrochimică, chimică sau termică.

225

1 = convenţionale; 2 = neconvenţionale

Fig.10.1. Variaţia productivitãţii cu prelucrabilitatea

În zona de interacţiune are loc transformarea energiei conţinute de agentul eroziv în energie de distrugere a integrităţii straturilor de suprafaţă. Pentru realizarea proceselor de eroziune este necesară o mărime şi o repartiţie spaţială a energiei de structură, astfel încât să se depăşească energia de legătură a particulelor. În funcţie de natura predominantă a energiei destructive, mecanismul elementar al distrugerii erozive poate avea la bază unul dintre fenomenele :

- topire, vaporizare; - ruperi de material ca urmare a unor acţiuni termice sau

mecanice repetate; - coroziune;

10.1.1. Clasificarea procedeelor de prelucrare prin eroziune

Dupa natura agentului eroziv acestea se clasificã în :

1. Prelucrare prin eroziune electrica - se bazeazã pe efectul eroziv polarizat al unor descãrcãrii electrice prin impuls, amorsate în mod succesiv între un electrod şi piesã.

2. Prelucrarea prin eroziune electrochimicã - are loc prin dizolvarea electrochimicã (anodicã) a substanţei piesei în procese caracteristice de schimb de sarcini electrice.

226

3. Prelucrarea prin eroziune chimicã - prin dizolvare chimicã.

4. Prelucrarea prin eroziune complex electrochimicã şi electricã.

5. Prelucrarea prin eroziune cu radiaţii - are loc prin intermediul efectului eroziv al acţiunii unui fascicul de radiaţii electromagnetice sau corpusculare focalizate asupra piesei.

6. Prelucrarea prin eroziune complexa abrazivã şi cavitaţionalã - se bazeazã pe acţiunea unor procese de eroziune abrazivã sau cavitaţionalã, respectiv complexã prin dezvoltarea simultanã a ambelor procese localizate.

Caracteristicile comune ale diferitelor procedee de prelucrare prin eroziune sunt :

• caracteristicile mecanice ale materialului prelucrat sunt de ordin secundar; • cinematica generãrii unor suprafeţe complexe este simplã (o singurã mişcare de avans); • posibilitate de automatizare.

10.2. Prelucrarea dimensionala prin eroziune electrica

Se bazeazã pe efectele erozive complexe, discontinui şi localizate ale unor descãrcãri electrice prin impuls, amorsate în mod repetat între electrod şi piesã. Pentru ca prelucrarea dimensionalã prin eroziune electricã sã fie posibilã, trebuiesc respectate urmãtoarele condiţii :

introducerea directã a energiei electrice la suprafaţa obiectului de prelucrat. Din aceastã cauzã se impune folosirea unor materiale electroconductoare atât pentru electrod cât şi pentru piesa de prelucrat;

dozarea temporarã în impuls a energiei electrice în zona de interacţiune electrod-agent-obiect. În acest mod se preleveazã materialul, pentru cã la dozarea continuã a energiei electrice, efectul termic al descãrcãrii se propagã treptat în întreg volumul şi prelevarea nu se mai poate localiza. Durata descãrcãrii este de 10-1s.

asigurarea unui caracter polarizat al descãrcãrii electrice în impuls. Sub acţiunea efectului termic al descãrcãrii

227

electrice în impuls se va preleva material atât de la obiect cât şi de la electrod. Scopul urmãrit este ca prelevarea de la obiect sã fie mult mai mare. Fenomenul se poate dirija prin conectarea obiectului şi a electrodului la polaritãţile corespunzãtoare, utilizarea la electrod a unor materiale cu rezistenţe erozive mari şi formarea pe acesta a unor pelicule protectoare.

restabilirea continuã a stãrii iniţiale în intervalul eroziv. Aceasta pentru cã descãrcãrile sã se poatã repeta în condiţii identice. Pentru aceasta trebuie evacuate produsele eroziunii şi restabilitã distanţa de amorsare a descãrcãrii.

Ca material pentru electrozi se utilizeazã : Al, Ag, Be, Cr, Co, Cu, Ol, Ni, W, Zr. Mai frecvent Cu, Am, Al. În cazul orificiilor de secţiune micã şi a fantelor se folosesc aliaje metaloceramice W-Cu, W-Ag. Din punct de vedere constructiv, electrozii sunt constituiţi dintr-o parte activã care participã la generarea suprafeţei şi dintr-o parte auxiliarã necesarã pentru bazarea şi fixarea electrodului pe maşina de prelucrat. Dimensiunile suprafetelor active ale electrodului trebuie corectate faţã de cotele suprafeţei de prelucrat cu "2Δ".

D = d +2Δ Δ= δ + z unde : D - suprafaţa generatã; d - diametrul electrodului; δ - mãrimea interstiţiului de lucru; z - adaos de prelucrare pentru îmbunãtãţirea preciziei de prelucrare şi a calitãţii suprafeţei prelucrate;

228

1 = partea activã; 2 = partea auxiliarã; 3 = ştift de centrare; 4 = garniturã

etanşare 5 = şurub asamblare; 6 = ajutaj circulaţie forţatã lichid dielectric; 7 = coadã

prindere Fig.10.2. Construcţia caracteristicã a electrozilor

1 = partea de degroşare

2 = partea de semifinisare 3 = partea de finisare

Fig. 10.3. Construcţia electrozilor utilizaţi pentru executarea orificiilor strãpunse

229

10.2.1. Maşini de prelucrat prin electro-eroziune

Maşinile de prelucrat prin electro-eroziune au urmãtoarele pãrţi componente:

generatorul de impulsuri; partea mecanicã - compusã din batiu, masa de fixare a

semifabricatului cu cuva şi sistemul de poziţionare; sistemul de reglare automata a interstiţiului; rezervorul cu instalaţia de recirculare, filtrare, rãcire;

Partea mecanicã asigurã poziţionarea relativã dintre electrod şi piesã. Aceasta impune ca maşina să fie prevăzută cu minimum trei posibilităţi de poziţionare dintre care una coincide cu direcţia avansului. Masa are posibilitatea de poziţionare pe două axe. Sistemele de reglare automată a interstiţiului trebuie să menţină o astfel de distanţă între obiectul prelucrării şi piesă încât să se poată realiza prelucrarea optimă. Deplasarea fizică a motorului se face cu ajutorul unui servomecanism. Servomecanismul are un bloc de analiză, comparare şi comandă. Lichidul dielectric are o contribuţie esenţială la desfăşurarea procesului de eroziune electrică şi la stabilitatea acestuia. Prin fenomenele care au loc în lichidul dielectric acesta determină atât existenţa descărcărilor care provoacă prelevarea, evacuarea particulelor prelevate din interstiţiu, cât şi evacuarea acestora în baia de dielectric. Înterstiţiul trebuie în permanenţă alimentat cu lichid dielectric. Lichidul se încălzeşte în timpul funcţionării şi trebuie răcit.

În timpul procesului eroziv temperaturile ridicate ale descărcării provoacă modificări structurale ale stratului de suprafaţă. Se constată existenţa a trei zone.

Primul strat numit “strat alb” (SA), din cauza culorii mai deschise, prezintă o structură intermediară între martensită şi perlită. Culoarea mai deschisă se datoreşte decarburării suprafeţei şi structurii intermediare datorată răcirii rapide. Grosimea stratului variază între μm şi sutimi de mm.

Al doilea strat numit “substratul alb” (SSA) este mai bogat în carbon, structura sa fiind apropiată de cea martensitică datorită răcirii rapide după impuls.

Al treilea strat este cel de bază (SB).

SBSSASA HHH ><

230

Precizia dimensională a prelucrării prin electro-eroziune este influenţată de :

- utilaj; - operatorul uman; - factorii de proces;

Cel mai dificil de stăpânit sunt factorii de proces care impun o anumită subdimensionare a electrozilor, şi folosirea mai multor electrozi pentru aceeaşi cavitate.

10.2.2. Caracteristici tehnologice

1) Productivitatea prelucrării ≡ Debitul de material erodat Q 2) Calitatea suprafeţei prelucrate. 3) Adâncimea stratului de material modificat. 4) Precizia dimensională. 5) Uzura relativă volumică a electrodului. 6) Consumul specific de energie.

Valoarea caracteristicilor tehnologice este determinată de parametrii

obiectului de prelucrat impus prin proiectare şi de parametrii procesului de prelucrare care se aleg în funcţie de cei impuşi. În categoria parametrilor impuşi intră calitatea materialului de prelucrat, mărimea şi forma suprafeţei. Parametrii procesului de prelucrare prin care se pot asigura cei impuşi sunt în principal cei electrici (curent, tensiune, frecvenţă).

p

mmH f

UICh ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

h = rugozitatea

Deci la degroşare Im creşte, f scade şi la finisare invers. Pentru a obţine o rugozitate bună, timpul de prelucrare la finisare este foarte mare (50% din total). La degroşare:

- Q= 103 m m3/min; - Uzura electrodului 1%; - Ra = 100 μm;

La finisare:

- Q= 10 mm3/min;

231

- Uzura electrodului 10 %; - Ra = 8 μm;

În timpul procesului eroziv temperaturile ridicate ale descărcării provoacă modificări structurale ale stratului de suprafaţă. Se constată existenţa a trei zone. Precizia dimensională a prelucrării prin electro-eroziune este influenţată de :

- utilaj; - operatorul uman; - factorii de proces;

Cei mai dificili de stăpânit sunt factorii de proces care impun o anumită subdimensionare a electrozilor şi folosirea mai multor electrozi pentru aceeaşi cavitate. 10.3. Prelucrarea prin eroziune cu electrod filiform

10.4. Prelucrarea prin eroziune cu electrod filiform

232

Între obiectul prelucrat şi electrodul filiform se asigură o mişcare relativă după axele x şi y, în aşa fel încât în dreptul electrodului să se realizeze conturul de prelucrat. Electrodul filiform execută o mişcare rectilinie verticală cu o anumită viteză “v”. Lichidul dielectric se introduce în interstiţiu prin ajustajul AJ. Utilajul de prelucrare prin eroziune electrică cu electrod filiform prezintă subansamblele normale ale unei maşini de prelucrat prin eroziune electrică, dar şi subansamble specifice:

- subansamblul de tensionare şi deplasare al electrodului filiform;

- sistem de reglare automată a avansului după coordonate şi sistem de urmărire a conturului.

Ca material pentru electrodul filiform se utilizează sârmă de cupru neizolată de diametre 0,02 … 0,30 mm. Se decupează materiale cu grosimi până la 100 mm.

Tehnologia de lucru pentru prelucrarea prin eroziune electrică cu electrod filiform este identică cu tehnologia de prelucrare prin eroziune electrică normală având ca parametrii suplimentari viteza de derulare a firului şi forţa de tensionare.

10.4. Prelucrarea prin eroziune electrochimică (lustruirea electrochimică)

Prelucrarea prin eroziune electrochimică se bazează pe fenomenele de dizolvare anodică, ca urmare a câmpului electric format între cei doi electrozi cufundaţi în electrolit. Principalele avantaje ale metodei sunt productivitatea mare în raport cu alte metode neconvenţionale, calitatea superioară a suprafeţei prelucrate, lipsa transformărilor structurale şi a tensiunilor superficiale. Piesa de prelucrat este legată la anod, iar electrodul sculă la catod, având forma piesei. Ionii pozitivi de la anod trec în soluţie şi reacţionează cu ionii negativi, formând compuşi chimici, mai ales hidraţi metalici. Spre deosebire de alte procedee de prelucrare, la eroziunea electrochimică nu se produc depuneri la catod şi ca atare, electrodul sculă nu este modificat dimensional. Productivitatea prelucrării este cu atât mai mare cu cât densitatea de curent la suprafaţa piesei este mai mare şi aceasta până la o anumită valoare. În urma procesului, pe suprafaţa piesei se formează o peliculă de pasivizare, care

233

împiedică desfăşurarea în continuare a procesului de eroziune. Ea poate fi împiedicată natural sau hidrodinamic şi mecanic. În cazul procesului de prelucrae cu depasivizare naturală, pelicula se elimină cu ajutorul forţelor rezultate din degajarea gazelor. Prelucrarea prin eroziune electrochimică cu depasivizare hidrodinamică se bazează pe îndepărtarea peliculei de hidroxizi metalici ca urmare a acţiunii mecanice a eletrolitului ce se introduce, cu presiune ridicată, între obiectul de prelucrat şi electrod. Acestă metodă se aplică pentru operaţii de curăţire, lustruire, debavurare.

Fig. 10.5. Schema de principiu a prelucrãrii prin eroziune electrochimicã

10.5. Prelucrarea dimensională cu ajutorul energiei ultrasonore Aplicaţiile ultrasunetelor se datoresc proprietăţilor undelor ultrasonice:

- lungimea de undă mică; - a = 105g ; - posibilitatea de dirijare a fascicolului ultrasonic îngust în

direcţia dorită. După modul în care intervine energia ultrasonoră în procesele

tehnologice, aplicaţiile ultrasunetelor pot fi grupate în două grupe mari: 1. Aplicaţii active = energia acustică este suficient de mare

pentru a produce modificări în structura mediului în care este introdusă. În acest caz energia ultrasonoră joacă rolul unei unelte care efectuează un lucru mecanic.

234

2. Aplicaţii pasive = intensitatea lor este relativ scăzută şi nu provoacă modificări structurale în mediul introdus, furnizând informaţii referitoare la proprietăţile şi dimensiunile materialului examinat (control nedestructiv).

Prelucrarea dimensională cu ultrasunete (găurire, profilare, tăiere) se bazează în principal pe acţiunea unor procese de eroziune abrazivă şi limitat cavitaţională, dezvoltate în urma transmiterii energiei cinetice a sculei ce vibrează cu frecvenţă ultrasonoră a unor particule de abraziv aflate în suspensie la locul prelucrării. Aceste particule abrazive acţionează printr-un mecanism şoc asupra materialului de prelucrat, prelevând microaşchii. Există două metode de prelucrare ultrasonică :

1. Cu suspensie abrazivă. Se folosesc scule profilate. Asupra piesei acţionează scula profilată cu o frecvenţă de 18-30 kHz. Scula este apăsată pe piesă cu o presiune de 0,5-6 daN/cm2. Se foloseşte ca suspensie abrazivă între sculă şi piesă, carbura de bor sau de siliciu în apă, care are rolul de agent de eroziune şi agent de răcire.

2. Fără suspensie abrazivă. Scula impregnată cu praf de diamant vibrează cu frecvenţă ultrasonică, având şi o mişcare suplimentară de rotaţie faţă de piesa de prelucrat. Amplitudinea oscilaţiilor nu depăseşte 15μm, pentru a nu periclita scula. Presiunea dintre sculă şi piesă ajunge până la 30 daN/cm2, iar scula se roteşte cu o turaţie medie de 200 rot/min. Intre sculă şi piesă se asigură un lichid de răcire.

Indiferent de tipul operaţiei efectuate maşinile de prelucrat cu energie ultrasonoră se compun din următoarele subansamble principale:

- generatorul de oscilaţii electrice (100-1000W); - blocul acustic converteşte oscilaţiile electrice ale

generatorului în oscilaţii ultrasonore. El mai are în compunere un sistem de conducere, concentrare şi focalizare a energiei ultrasonore.

- Sistemele de recirculare, filtrare a suspensiei; Domeniul de utilizare:

- industria optică – prelucrarea sticlei; - industria electrotehnică – prelucrarea şi debitarea

materialelor semiconductoare şi a ceramicilor izolatoare;

235

- aeronautică şi mecanică fină – prelucrarea lagărelor din rubin, safir, cuarţ;

- construcţia de maşini – prelucrarea carburilor de W şi a materialelor extradure, prelucrarea materialelor sinterizate şi a filierelor de diamant.

Factori care influenţează productivitatea prelucrării sunt :

- Viteza principală de vibraţie “v”, dată de relaţia :

eaamplitudinmmAfrecventaHzf

smfAv

−−

=

][][

]/[10004

Ea trebuie corelată cu mărimea particulelor abrazive (d=12-50μm).

- Influenţa abrazivului. Productivităţi ridicate se obţin la folosirea carburilor de bor şi siliciu, în concentraţie volumică de apă de 25-40%.

- Secţiunea corpului ajutător şi adâncimea de prelucrare conduc la scăderea productivităţii la frecvenţă constantă;

- Presiunea statică a sculei. Valoarea optimă a presiunii statice depinde de secţiunea transversală a sculei, amplitudinea şi frecvenţa oscilaţiilor.

- Calitatea materialului prelucrat. Rugozitatea suprafeţei prelucrate oscilează între 1,6 şi 3,2 μm.

10.6. Prelucrarea dimensională prin eroziune cu radiaţii Radiaţiile corpusculare sau cele electromagnetice la densităţi mari de energie, concentrate în pată focală asupra unui obiect, pot genera la locul interacţiunii surse termice de temperaturi înalte, care sunt capabile să prelucreze prin eroziune orice material. Cele mai utilizate variante sunt cele care utilizează fascicule de electroni, ioni şi fotoni.

10.7. Prelucrarea cu fascicul de electroni

236

Se folosesc fascicule formate din electroni cu densitate şi energii cinetice mari, acceleraţi, comandaţi şi focalizaţi pe suprafaţa obiectului de prelucrat. Principial electronii produşi prin emisie termoelectronică de catod sunt conduşi printr-un ansamblu de electrozi străbătând o diferenţă de potenţial, preiau o energie cinetică.

2

2mvnneU =

Electronii acceleraţi, pătrund în corpul solid şi interacţionează cu substanţa acestuia. Energia lor cinetică este absorbită pe măsură ce prin interacţiuni repetate, viteza de intrare scade. Pe o anumită adâncime, numită adâncime de pătrundere, materialul se încălzeşte până la vaporizare sub o zonă superficială, care poate fi considerată transparentă la electroni. Presiunea vaporilor expulzează materialul din zona superficială şi o parte din materialul ajuns în stare lichidă, formându-se un crater de eroziune. În crater temperatura ajunge la 6000°K, în timp ce la 1μm de crater ea este de 600°K. Pentru a limita dispersia fasciculului de electroni se asigură un mediu vidat cu presiuni de 10-8 N/m2.

Prelucrarea dimensională cu fascicul de electroni realizându-se printr-un proces de vaporizare a materialului în vacuum este posibilă numai dacă cantitatea de căldură folosită pentru încălzire, topire şi vaporizare este mai mare decât căldura pierdută din conducţie şi radiaţie. Deci prelucrabilitatea prin fascicul de electroni depinde de constantele termofizice ale materialului. Condiţia de vaporizare impune pentru fiecare material o valoare minimă a puterii specifice în focarul fasciculului de electroni. Caracteristicile fasciculului sunt :

- tensiunea de accelerare; - intesnitatea şi durata impulsurilor; - frecvenţă; - raportul dintre timpul de pauză şi durata impulsului. Se

urmăreşte corelarea acestor parametrii astfel încât numărul de impulsuri necesare perforării materialului să fie minim.

Domeniile de utilizare sunt :

237

- Prelucrarea dimensională cu fascicul de electroni este limitată de necesitatea vidării spaţiului de lucru şi utilizării înaltei tensiuni.

- Este eficientă la piese mici din materiale foarte dure. Se pot obţine fante înguste, se pot decupa plăcuţe extradure cu grosime mică.

- Se execută găuri sub 0,1 mm şi sub formă de sită. Găurile cele mai uşor de prelucrat sunt între 25 şi 50μm. Productivitatea este foarte mare (3000 găuri pe oră).

- Se foloseşte în industria electronică.

10.8. Prelucrarea cu fascicul de fotoni Fasciculele de fotoni se realizează în generatoare cuantice numite lasere. Principial aceste generatoare cuantice se bazează pe absorbţia de energie de către un mediu activ în emiterea acesteia sub formă de radiaţie stimulată. Prelucrarea materialelor cu fascicul de fotoni (laser) prezintă o serie de particularităţi care îi determină caracteristicile tehnologice şi îi condiţionează domeniile de aplicare :

- T=18.000°K – practic topeşte orice metal; - Este posibilă prelucrarea de la distanţă, fasciculul de

fotoni putând fi transmis direct sau reflectat. Absorbţia fascicului în aer este neglijabilă.

- Se pot efectua operaţii prin medii transparente. - Fasciculul nefiind deviat în câmp electric se pot prelucra

şi materiale magentice. - Zona de influenţă termică este foarte redusă, de 10 ori

mai mică ca la fasciculul de electroni. Prelucrabilitatea cu laser este condiţionată în mare măsură de

constantele termofizice ale materialului. Se prelucrează bine materialele care au o diferenţă mică între temperatura de topire şi cea de vaporizare. Se prelucrează greu materialele cu grad mare de reflecţie şi conductivitate termică bună (de exemplu aluminiu). Oţelurile aliate se prelucrează uşor.

Operaţii care se pot executa cu laserul: 1. Găurirea – de la câţiva microni la 0,5mm. Perforări în

plăci mai groase (0,5-5mm), diametrul orificiului

238

perforat variază cu adâncimea. Se prelucrează ceramică, aliaje dure, etc..

2. Tăierea. Spre deosebire de perforare la care regimurile pulsante sunt corespunzătoare procesului, la tăiere sunt necesare regimuri continui. La alegerea regimului de prelucrare trebuie să se ţină seama că viteza de tăiere este invers proporţională cu grosimea materialului. Tăierea este posibilă în condiţii economice până la grosimi care depind de proprietătile termofizice (oţel aliat până la 0,2mm, sticlă până la 1mm, plastic 25mm).

3. Prelucrarea canalelor şi trasarea reticulelor. Se pot prelucra canale late de 10μm şi reticule pentru scale la aparate optice. Cantitatea de material erodat este infimă.

Domenii de aplicabilitate : - echilibrarea dinamică a rotorilor giroscoapelor 10-4g; - elemente pentru scheme electrice.

10.9. Prelucrarea prin eroziune cu plasmă Un gaz sau un amestec de gaze puternic ionizat (compus din molecule, atomi, ioni şi electroni), electric cvazineutru, se numeşte plasmă. Plasma posedă conductivitate electrică mare, interacţionează cu câmpurile electrice şi magnetice şi este o sursă de radiaţii electromagnetice cu spectru larg : infraroşu, vizibil şi ultraviolet. În construcţia de maşini se foloseşte plasma cu 104 - 3*104 °C, ce se obţine în coloana arcului electric, căreia i se ridică temperatura prin comprimare radială. Plasma se realizează în plasmatroane în care coloana arcului electric este obligată, sub acţiunea jetului de gaz să treacă prin spaţiul limitat al duzei cu pereţi dubli (pentru a se răci cu apă). În acest fel energia se concentrează puternic în zona axială a coloanei din cauza răcirii periferice (duza) şi deci a deionizării, ceea ce determină creşterea densităţii de curent în zona centrală. Pentru o concentrare şi mai puternică a coloanei de plasmă se poate utiliza un câmp magnetic exterior suplimentar.

239

Fig. 10.6. Schema de principiu a unei instalaţii de prelucrat cu plasmã

Gazele monoatomice (Ar, He) asigură o stabilitate mai mare arcului de plasmă şi o durabilitate mai bună a duzei răcite din cupru, cele biatomice (H2, N2) conduc la un transfer mai mare de căldură, deoarece se disociază în coloana arcului şi se recombină la obiectul de prelucrat (cu degajare mare de căldură). Prelucrarea cu plasmă se aplică, de regulă, la tăiere, strunjire, filetare exterioară, etc. Plasma se mai foloseşte la metalizare, la sudare, la prelucrări de suprafaţă, la retopirea unor aliaje în scopul rafinării lor şi altele.

240

CAPITOLUL 11.

MATERIALE COMPOZITE

11.1. Generalitãţi

Materialele compozite sunt materiale diferite de materialele macroscopice omogene şi care se obţin prin înglobarea - continuã sau nu - a unui material rezistent (armãtura) într-un alt material numit matrice şi ale cãrui caracteristici mecanice sunt mult inferioare primului. Matricea conservã dispunerea geometricã a armãturii cãreia îi transmite solicitãrile la care este supusã piesa. Ele nu reprezintã o noutate, fiind cunoscute încã din antichitate. Iatã câteva exemple :

1. Arcul mongol - partea comprimatã era din corn, iar cea întinsã din lemn;

2. Sãbiile arabe sau japoneze erau confecţionate din oţel dur şi oţel moale. Zona din oţel era stratificatã ca un foietaj, orientând retasurile şi impuritãţile în lungime, dupã care fibra se îndoia în forma de U. În interiorul U - ului se aflã oţel moale. Sabia rezistã atunci la flexiuni şi şocuri.

Astãzi, în aeronautica se obţin piese din materiale compozite cu 10% pânã la 50% mai uşoare şi la un preţ inferior de 10% pânã la 20%. Micşorarea masei unui avion A310 cu 1Kg îi mãreşte raza de acţiune cu o mila. F18 – SUA- 10,3% din masa corespunzãtor unei suprafeţe de 50% a aparatului este din materiale compozite. Caroseria F1 – Ferrari este confecţionatã din material compozit. Calculul structurilor compozite este diferit de cel al materialelor omogene, dar metodologia de calcul a acestora este pusa la punct. 11.1.1. Armãtura şi matricea Legãtura între armaturã şi matrice se creazã în timpul fazei de elaborare a materialului compozit. Ea are o influenţã determinantã asupra proprietãţilor mecanice ale materialului compozit. Armãtura este formatã din mai multe sute sau mii de filamente cu diametre cuprinse între 5 şi 15 μm, permiţând prelucrarea lor aidoma fibrelor textile. Diametrele acestor fibre trebuie sa fie mici cãci odatã cu creşterea diametrului scade rezistenta la rupere.

241

Diametrele mici ale fibrelor permit raze de curbura de 0,5 mm. Excepţie face borul (Φ= 0,100 mm) care precipita în jurul unui filament de tungsten (Φ= 12μm). Raza de curbura a lor este de 4mm. Fibrele se comercializeazã sub forma de :

A. Fibre scurte : au o lungime de la zecimi de mm, la zeci de mm. B. Fibre lungi : tãiate în momentul fabricãrii, folosite ca atare sau

teşite. Dupa natura fibrelor, ele pot fi :

sticla; ceramice (kevlar); carbon; carbura de siliciu;

Armatura poate fi : unidimensionalã : constituitã din fibre; unidimensionale ( cu Φ foarte mic), orientate dupã o

anumitã direcţie în spaţiu; bidimensionale: suprafeţe ca de exemplu ţesãturile; tridimensionale: fibre orientate dupã mai multe direcţii sau

bile; Inainte de constituirea armãturii fibrele suportã un tratament de suprafaţa în scopul micşorãrii rugozitãţii suprafeţelor şi de a favoriza adeziunea lor la matrice.

11.2 Tehnologia de obţinere a fibrelor Fibrele pot fi de sticlã , kevlar , carbon, bor , carburã de siliciu şi altele. Sticla : filamentele se obţin prin tragerea sticlei prin filiere din aliaj de platina. Kevlar : fibrã ceramicã de culoare galbenã, produs de Du Pont de Nemours (SUA). Compoziţia exacta nu e dezvãluitã. Carbon : filamente acrilice sunt oxidate la cald (300 °C) şi apoi încãlzite la 1 500 °C în atmosfera de azot. Nu rãmân decât lanţurile hexagonale de atomi de carbon. Modulul de elasticitate ridicat se obţine prin tragere la cald. Bor : filamentele de tungsten (Φ= 12μm) servesc de catalizator reacţiei dintre clorura de bor şi hidrogen la 1200 °C. Se obţin fibre de bor de Φ= 100μm (viteza de creste de 1μm / secunda). Carbura de siliciu : principiul de obţinere este asemãnãtor cu cel al borului. Redãm pe scurt anumite proprietãţi fizico-mecanice ale fibrelor.

242

11.3. Matricile Cele mai importante matrici sunt :

1. Matricile rãşinoase : rãşini termoplastice. 2. Matrici minerale : carburã de siliciu şi bor (permit atingerea

unor temperaturi înalte). 3. Matrici metalice : aliaje din aluminiu.

12.3 Domenii de utilizare 1. Electric, electronic : suporturi de circuite imprimate, antene, cofrete,

eoliene, varfuri de turnuri TV. 2. Construcţii : cofraje, piscine, placaje de faţade, mobilier, articole

sanitare, coşuri de uzine. 3. Transport rutier : caroserii auto, suspensii, butelii de gaz, suspensii

blocuri motoare, cisterne, camioane izoterme. 4. Transport maritim : vapoare maritime, veliere de competiţie,

ambarcaţiuni de salvare. 5. Transport aerian : avioane de turism , voleţi, derive, pale de

elicoptere. 6. Aerospaţiale : scut de protecţie termica intrare în atmosfera,

rezervoare. 7. Construcţii de maşini : cuzineţi, angrenaje, cilindri, braţe de roboţti,

rezervoare sub presiune, tubulaturã pentru platforme de foraj marin. 8. Sport : rachete de tenis, schiuri, planşe cu vele, arcuri şi sãgeţi, cãşti

de protecţie, cadre de bicicletã, etc. Materialele compozite au o foarte buna rezistenta la coroziune şi la oboseala. Iatã câteva exemple de utilizare a materialelor compozite prin comparaţie cu soluţiile clasice (se ţine cont de masa produsului şi preţul de cost).

Rezervor 65 m3 pentru industria chimicã

53% din preţ fata de varianta clasica

Coş fum pentru industria chimicã

51% din preţ faţã de varianta clasicã

Spãlãtor de vapori de acid azotic

33% din preţ faţã de varianta clasicã

Rotor helicopter 40% din preţ şi 80% din masa fata de varianta clasica

243

Cap robot sudura 50% din masã faţã de varianta clasicã Alte proprietãţi remarcabile ale materialelor compozite :

îmbãtrânesc sub acţiunea umiditãţii şi a cãldurii; nu se deformeazã plastic σe = σr; insensibile la atac chimic cu produse petroliere; comportament mai slab la şocuri; rezistente la foc (cu observaţia cã fumul emis de anumite

matrici poate fi toxic);

11.4 Tehnologia fabricãrii produselor din materiale compozite Amestecul armaturã-rãşinã nu capãtã proprietãţile materialelor compozite decât în ultima fazã de fabricaţie: durificarea matricei. Dupã durificare proprietãţile materialelor compozite nu se mai pot modifica ulterior ca în cazul aliajelor metalice prin tratamente termice. În cazul materialelor compozite cu matrice rãşinoasã acesta polimerizeazã (exemplu rãşina poliestericã). Ea trece din stare lichida în stare solida prin copolimerizare cu un monomer. Acest fenomen conduce la durificare şi se poate activa folosind un accelerator chimic sau cãldura. Prelucrarea (formarea) se poate face manual, prin turnare, prin matriţare, prin injecţie, prin laminare, etc. Redãm mai jos principalele metode de formare ale materialelor compozite. 11.4.1. Formarea manualã Se aplicã în cazul materialelor compozite constituite din fibre sau pãturi de sticlã în proporţie volumicã de 30 % şi materiale termoplastice sau termoreactive sub formã de de soluţii în amestec cu ingredienţi şi acceleratori chimici. Tehnologia se utilizeazã pentru realizarea unicatelor sau a loturilor, ca şi pentru reparaţii. Formarea manualã prin contact se realizeazã în urmãtoarele etape : - aplicarea decofrantului 1 , pe modelul 2 şi uscarea acestuia ; - Gelificarea şi aplicarea unui strat de armare de fibre, pãturã, ţesãturã, etc. şi

tasarea stratului cu ajutorul rolei 3; - Îmbinarea stratului de armare aplicat cu o rãşinã poliester sau epoxid cu

ajutorul pensulei 4 ; - Gelificarea şi aplicarea unui nou strat de armare.

244

- Formarea manualã prin contact poate fi fãcutã pe modele pozitive sau negative , executate din lemn , metal sau alte materiale. Desãvârşirea polimerizãrii se poate face prin încãlzirea la 60…80o C peste punctul de polimerizare.

Fig. 11.1. Schema formãrii manuale.

11.4.2. Formarea manualã prin turnare Formarea prin turnare a produselor din materiale compozite cu matrice din mase plastice necesitã pregãtirea amestecului de formare din fibre de sticlã sau altã armãturã. Amestecul este turnat în forme închise sau deschise, încãlzite la 60…80o C peste punctul de polimerizare pentru a grãbi procesul de întãrire. Modelele sau matriţele se formare se pot confecţiona din lemn, sticlã, aliaje metalice, etc.

245

a = formã închisã; b = formã deschisã

1 = rãşinã; 2 = catalizator; 3 = accelerator; 4 = fibre; 5 = alţi componenţi Fig. 12.2. Schema formãrii prin turnare

Se mai poate presa lichidul în curs de solidificare, ca în schema de mai jos.

1 = suport metalic; 2 = cavitate; 3 = fibre de armare;

4 = strat de aliaj; 5 = autoclav; 6 = autoclav. Fig. 11.3. Schema de formare cu presare la cald.

11.4.3 Formarea prin presare

Formarea prin presare se poate executa la cald sau la rece. Etapele acestui procedeu sunt :

246

1. Pregãtirea armãturii şi a matriţei. 2. Amestecarea acestora. 3. Introducerea amestecului în formã. 4. Compactarea prin presare. 5. Polimerizarea. 6. Demularea. 7. Finisarea.

În funcţie de seria de fabricaţie şi de preţul de producţie impus, matriţele se pot confecţiona din: lemn, metal, rãşini, etc. . Matriţa poate fi deschisa ca în cazul de mai sus, compactarea în vederea eliminãrii aerului fãcându-se manual. Se pot obţine astfel piese de dimensiuni mari.

Precizie mai bunã se obţine folosind matriţele cu poanson. Productivitatea este mai mare, dar metoda se recomanda pentru piese de dimensiuni mici.

Amestecul matrice-armatura se introduce în matriţa. Poansonul se preseazã mecanic la 1-2 bari. Polimerizarea se poate face la cald sau la rece. Se foloseşte în industria automobilelor şi în aeronauticã.

1 = placã de bazã; 2 = cavitate formare; 3 = poanson; 6 = piesã

Fig.11.4. Formarea prin presare la rece

11.4.4. Formarea sub vid Acest procedeu foloseşte o matriţa deschisa în care se introduce amestecul de matrice şi armaturã.

247

Peste aceasta se aplicã o folie suplã de plastic şi se realizeazã etanşarea perimetrului piesei, se cupleazã matriţa la o pompa de vid şi se realizeazã compactarea, eliminându-se aerul. Excedentul de matrice este absorbit de pompa de vid. Ansamblul este apoi supus polimerizãrii în etuvã sau în autoclave la 7 bar. Işi gãseşte aplicabilitate în aeronauticã.

1 = masã; 2 = pompã vid; 3 = cavitate matriţã 4 = membranã; 5 = ramã; 6 = jug; 7 = şurub

Fig.11.5. Schema formãrii prin vidare

Matricea şi armãtura se introduc sub membrana 4, dupã care se face legãtura cu pompa de vid.

11.4.5. Formarea prin injecţie Armãtura se introduce între matriţã şi poanson şi se injecteazã matricea. Presiunea de injecţie este micã.

248

1 = cilindru; 2 = şurub-melc; 3 = piston; 4 = tijã; 5 = piston; 6 = cilindru; 7 , 8 = rezistenţe; 9 = amestec; 10 = material plastic; 14 = buncãr; 13 = fibrã; 17 = duzã 18 = cavitate formare; 19,20 = plãci matriţã; 21,22 = pistoane; 23,24 = cilindrii

Fig.11.6. Schema formãrii prin injecţie Amestecul format din fibrã şi material plastic este injectat în cavitatea matriţei care este menţinutã închisã de cãtre cilindrii 23 şi 24. Ciclul de injecţie este identic cu cel al injecţiei materialelor plastice.

12.4.6. Laminarea continuã a materialelor compozite Tablele , benzile şi covoarele din materiale compozite cu matrice din materiale plastice şi armãturi din sticlã se realizeazã cu ajutorul unor instalaţii asemãnãtoare celei descrisã în figura 12.7. Rolele 1 si 2 toacã fibrele de armãturã, dupã care le depoziteazã în buncãrul 3. Tocãtura este trimisã prin rolele de impregnare cu adeziv cãtre rolele 8. Foliile de poliester 9 se deruleazã pe rolele 10 si sunt conduse cãtre caja de laminare 12 prin intermediul valţurilor 11. Grosimea produsului este reglatã prin deplasarea rolelor 12 , iar lungimea produsului se realizeazã cu ajutorul cuţitelor 13 şi 14.

249

Fig. 11.7. Schema instalaţiei de laminat continuu

11.5. Caracteristici ale amestecului armãturã-matrice Putem întâlni armãturi unidimensionale, bidimensionale sau tridimensionale

armatura unidimensionala + matrice; ţesãtura + matrice; corpuri + matrice;

Caracteristicile materialului compozit rezultat (inclusiv cele mecanice) depind de raportul dintre volumele şi masele de armaturã şi matrice. Redãm mai jos valorile acestor rapoarte pentru materiale compozite obţinute prin anumite procedee tehnologice.

250

Mmasa armaturii

masa totala

Mmasa matricii

masa totala

VVolum armatura

Volumul total

VVolum matrice

Volumul totalV V

a

m

a

m

m f

=

=

=

=

= −1

Procedeu Va

Turnare în matriţã 30 % Presare în matriţã 40 % Turnare sub vid 50 - 80 %

251

CAPITOLUL 12.

PRELUCREAREA PIESELOR DIN CAUCIUC SI MASE PLASTICE

12.1. Prelucrarea pieselor din mase plastice Masele plastice se pot prelucra printr-o multitudine de procedee tehnologice. Nu vom insista asupra unor procedee de prelucrare a maselor plastice care au un grad mare de generalitate şi sunt aplicabile atât metalelor cât şi aliajelor metalice, cum ar fi: presarea, calandrarea, turnarea, tragerea în fire, prelucrarea prin aşchiere, sudarea. Pe lângã acestea existã şi procedee tehnologice specifice prelucrãrii maselor plastice, cum ar fi:

turnarea sub presiune; extrudarea.

12.1.1. TURNAREA SUB PRESIUNE A MASELOR PLASTICE Turnarea sub presiune (prin injecţie) a maselor plastice se aplicã la prelucrarea pieselor din mase plastice, atât termoplaste, cât şi termorigide. Procedeul este foarte rãspândit în producţia de serie mare şi masã, putându-se folosi atât matriţe simple (cu o cavitate), cât şi matriţe cu cavitãţi multiple. Principiul de prelucrare constã în aducerea materialului de prelucrat la temperature de curgere şi împingerea lui sub presiune, într-o matriţã, unde materialul solidificã. Utilajul folosit este o maşinã de injecţie care este o maşinã acţionatã hidraulic, din familia preselor (orizontale sau verticale), semiautomate sau automate.

252

1 = matriţã; 2 = piesã; 3 = ajutaj (duzã); 4 = rezistenţe electrice; 5 = deflector; 6 = cilindru de lucru; 7 = piston; 8 = buncãr; 9 = dozator.

Fig.12.1. Schema de principiu a maşinii de injectat mase plastice Elementul activ al maşinii de injecţie este un melc (şnec) ce se roteşte într-un cilindru încãlzit, producând presarea şi deplasarea materialului.

Materialul plastic dozat trece în cilindru, unde prin încãlzire la 450-550 o K este adus în stare de topire vâscoasã. Pe mãsurã ce granulele de material plastic sunt transportate de-a lungul cilindrului, ele se topesc la contactul cu pereţii încãlziţi ai acestuia. Pistonul 7 dezvoltã presiuni de 350-2000 daN/cm2. Materialul plastic este forţat sã treacã prin duza 3 şi sã umple cavitatea matriţei. Deflectorul 5 asigurã uniformizarea temperaturii şi a fluiditãţii la injecţia materialului plaastic. Matriţa are o temperaturã relativ scãzutã, menţinutãa prin circulaţia continuã a apei de rãcire prin canale practicate în plãci, pentru a micşora timpii de solidificare.

Prelucrarea prin injecţie are urmãtoarele faze principale: - închiderea matriţei; - deplasarea pistonului maşinii cãtre matriţã şi împingerea acestuia în

cavitatea acesteia; - menţinerea matriţei sub presiune, pânã când materialul solidificã şi se

rãceşte

253

- revenirea pistonului în poziţia îniţialã; - deschiderea matriţei. Maşina poate sa funcţioneze cu comandã: - manualã, atunci când operatorul trebuie sã comande fiecare fazã; - semiautomatã, atunci când operatorul comandã numai începutul

ciclului, restul decurgând automat, mai puţin extragerea piesei care se face manual;

- automata, atunci când operatorul comandã numai începutul ciclului, restul decurgând automat, inclusiv extragerea piesei.

Calitatea pieselor turnate sub presiune depinde de o multitudine de factori :

temperatura matriţei; temperatura materialului injectat; presiunea de injecţie; durata de solidificare. corecta dimensionare a reţelei de alimentare a matriţei.

Extrudarea maselor plastice Procedeul este asemãnãtor atât principial, cât şi din punct de vedere al utilajului cu turnarea sub presiune a metalelor , deosebirea constând în faptul ca în primul caz se introduc în cilindru granule solide de material plastic, în timp ce în cel de al doilea se introduce metal topit.

Extrudarea continuã se aseamãnã în principiu cu turnarea sub presiune a maselor plastice, cu deosebirea cã în locul matriţei se monteazã un cap de extrudare (o filiera) care permite desfãşurarea continuã a procesului de fabricatie. Prin acest procedeu se pot fabrica produse cu profiluri variate, de lungimi nelimitate (bare, tevi, etc.). Pentru fiecare profil fabricat este nevoie de un alt cap de extrudare.

254

1 = cilindru;

2 = piston – melc; 3 = placã perforate;

4 = filierã; 5 = pâlnie alimentare;

6 = corp maşinã; 7 = rezistenţã electricã.

Fig.12.2. Schema de principiu a extruderului pentru mase plastice Prelucrarea maselor plastice prin termoformare Prin aceastã operaţie se obţin forme cave, care nu se pot obţine prin procedeele de prelucrare a maselor plastice discutate anterior. Cele mai des utilizate sunt: - Formarea prin ambutisare sau reliefarea în matriţã (a); - Formarea prin suflare sau prin presare (b); - Formarea prin ambutisare sau reliefare cu cauciuc, în amtriţe ©; - Formarea în vid (d).

255

Fig. 12.3 Preluctrarea maselor plastice prin termoformare

Aceste metode se pot aplica cu mare uşurinţã şi n u necesitã dotãri speciale. Matriţele folosite se pot confecţiona din metal, lemn, rãşinã, în funcţie de seria de fabricaţie, de dimensiuni şi de proprietãţile mecanice. De multe ori se preferã aluminiul datoritã bunei conductibilitãţi termice, a bunei prelucrabilitãţi şi a costului scãzut. 12.2. Procedee tehnologice de obţinere a pieselor din cauciuc În tehnică se folosesc numeroase repere din cauciuc datorită unor proprietăţi, cum sunt: elasticitatea foarte mare, rezistenţa la substanţe chimice, la vibraţii, etc. După provenienţe aceste repere pot fi din cauciuc natural sau sintetic. Cauciucul crud se trece printre cilindrii pentru a-l face plastic. Apoi se amestecă în malaxoare sau între cilindrii cu componenţi sub formă de pulberi, obţinându-se cauciucul brut. Pentru îmbunătăţirea caracteristicilor fizice şi mecanice ale cauciucului brut, acestuia i se aplică operaţia de vulcanizare, obţinându-se cauciucul industrial. Prin vulcanizare cauciucul trece din starea plastică în cea elastică, în urma modificărilor pe care le suportă prin adăugarea de sulf 2 – 12%, alungirea crescând cu 800%. În cazul în care cantitatea de sulf creşte la 25 – 32% se obţine ebonita.

256

Vulcanizarea se poate face la cald sau la rece. În afară de cauciuc brut şi sulf se mai adaugă şi alte substanţe, cum ar fi :

a) acceleratori ai vulcanizării, care coboară temperatura de vulcanizare şi îi reduc durata;

b) substanţe de întărire, care îi măresc rezistenţa la rupere şi la uzură;

c) substanţe de umplutură care nu acţionează asupra proprietăţilor, având un rol pasiv;

d) plastifianţi, care îi cresc plasticitatea şi rezistenţa la frig; e) substanţe care îi împiedică îmbătrânirea; f) coloranţi;

Prelucrarea cauciucului brut în semifabricate şi produse, se face prin mai multe procedee.

Calandrarea este operaţia de trecere a cauciucului brut printre cilindrii unui utilaj numit calandru pentru a fi îndesat şi modelat. Se obţin astfel benzi sau alte profile. Înainte de calandrare cauciucul se încălzeşte. Semifabricatul obţinut prin calandrare se prelucrează direct în produse sau se vulcanizează. Extrudarea se utilizează pentru a obţine produse profilate (garnituri de geam, ţevi, bare, etc.). Amestecul de cauciuc este împins de un şurub (şnec) şi trece printr-un cap de extrudare cu un anumit profil. Presarea este operaţia de realizare a produselor în forme. Formarea se face sub presiune în forme metalice în care amestecul de cauciuc este îndesat şi în acelaşi timp vulcanizat.

Formele de presare se fac din oţel sau din fontă, cromate în interior pentru a se obţine o suprafaţă netedă şi curată. Se pot realiza garnituri de etanşare, amortizoare, anvelope, etc.

Turnarea sub presiune constă în introducerea forţată a cauciucului brut în formã metalică. Vulcanizarea produsului se poate executa în aceeaşi formă, prin tratament termic corespunzător. Procedeul se aplică la prelucrarea pieselor de configuraţie complicată.

Impregnarea ţesăturilor cu cauciuc se face pe maşini speciale cu ajutorul unor cleiuri pe bază de cauciuc. Vulcanizarea se face în prese hidraulice.

Cauciucul poate fi utilizat în tehnică sub diferite forme : - nevulcanizat (spongios) sub formă de cleiuri sau paste de

etanşare; - spongios vulcanizat din care se confecţionează garnituri; - vulcanizat moale; - armat (tuburi flexibile care lucrează sub presiune);

257

1-placă superioară; 2- placă inferioară; 3-coloană de ghidare; 4-piesă;

5-locaş surplus; 6-plan separaţie. Fig. 12.4. Prelucrarea prin presare a cauciucului

258

CAPITOLUL 13

COROZIUNE. PROTECŢIE ANTICOROZIVĂ

13.1. Generalitãţi rivind procesele de coroziune Prin coroziune se înţelege fenomenul complex de distrugere a materialelor, datorită reacţiilor chimice sau electrochimice cu diferite substanţe prezente în mediul înconjurător. Coroziunea este un ansamblu de procese care:

- degradeazã, - deterioreazã, - distruge materialele,

sub acţiunea factorilor mediului înconjurator. Degradarea este procesul de modificare în sensul înrãutãţirii proprietãţilor unui material. Deteriorarea este procesul de modificare, în sensul scãderii, a caracteristicilor unor piese, ansamble, structuri. Distrugerea este un proces ireversibil prin care un material sau o piesã îşi pierde una sau mai multe caracteristici de bazã. Practic toate mediile au un anumit poteţial coroziv: aerul, apa (în toate variantele ei), acizii, solvenţii, etc. Degradarea prin coroziune a materialelor metalice conduce la modificarea greutãţii, a calitãţii suprafeţei, la scãderea proprietãţilor mecanice. Atacul chimic direct este posibil la toate materialele folosite, în timp ce atacul electrochimic este posibil numai la metale, deoarece numai ele posedă electroni liberi. Materialele sintetice nu posedă această structură, ele fiind degradabile numai prin atac chimic. Sub acest aspect se defineşte : Coroziunea chimică caracterizatã prin aceea cã în timpul reacţiei dintre un material şi mediul coroziv nu apare un transport de sarcini electrice. Coroziunea electrochimică caracterizatã prin aceea cã în timpul reacţiei cu mediul coroziv apare un transport de sarcini electrice. Ca efect al coroziunii se pierd permanent din economia mondială cantităţi importante de materiale. De exemplu, din producţia mondială de oţel din ultimii 50 de ani, aproximativ 20 miliarde de tone, se apreciază că circa 44% s-au pierdut datorită coroziunii.

259

Aceasta justifică pe deplin necesitatea luării de măsuri de protecţie a metalelor împotriva agenţilor corozivi şi de aprofundare a studierii fenomenelor coroziunii. 13.1 Coroziunea chimicã Se poate produce din cauza afinităţii dintre metale şi unele gaze uscate (O2, SO2, HCl, H2, CO, H2S etc.) sau lichide rău conducătoare de electricitate (alcooli, benzina, benzen) provocând modificări ale materialului care se manifestă prin :

- dizolvarea părţilor componente; - dezagregarea materialului de către cristalele sărurilor care

se formează în porii săi; - spălarea componenţilor;

Intensitatea procesului de coroziune depinde de : - natura materialului; - natura mediului coroziv; - concentraţie ; - presiune; - temperatură ; - durată de contact.

Dintre factorii externi, acţiunea cea mai dăunătoare asupra metalelor o are oxigenul. Suprafaţa curată a metalelor expusă la aer se oxidează.

Dacă pelicula de oxid formată prezintă proprietăţi protectoare (cum se întâmpla la aluminiu), viteza iniţială de coroziune scade. Capacitatea de protecţie a peliculelor de oxid formate depinde de permeabilitatea lor pentru substanţele cu care reacţionează.

13.2. Coroziunea electrochimicã

Pentru apariţia coroziunii elctrochimice este necesar să existe un anod, un catod, un electrolit şi un conductor. Prin înlăturarea uneia dintre aceste condiţii, coroziunea electrochimică nu se produce. Deoarece în practica industrială, metalele şi aliajele sunt heterogene se pot considera ca fiind alcătuite din electrozi electrici scurtcircuitaţi prin însăşi corpul metalului respectiv. Prin introducerea metalului în apă sau într-un mediu cu proprietăţi electrolitice, pe suprafaţa metalului apar elemente galvanice în care impurităţile din metal funcţionează ca microcatozi, în timp ce metalul funcţionând ca anod se dizolvă. Exemple tipice de coroziune electrochimică se întâlnesc în cazul oţelului expus coroziunii atmosferice (ruginirea fierului), precum şi a

260

coroziunii provocate de curenţii electrici de dispersie din sol, numiţi şi curenţi vagabonzi. Foarte importantă este viteza de coroziune “v” care se măsoară în cantitatea de metal distrusă pe unitatea de suprafaţă în unitatea de timp [g/m2h]. Cunoaşterea acestor indicii permite alegerea corespunzătoare a materialului în funcţie de natura mediului.

13.3. Coroziunea intercristalinã Pericolul de coroziune intercristalină la oţelurile Cr-Ni, rezultă ca urmare a regimurilor de tratament utilizate şi a regimului termic al sudurii când materialele se încălzesc la 720-1120 °K. Coroziunea intercristalină a aliajelor în electroliţi se datoreşte funcţionării micropilelor galvanice ce apar pe suprafaţa aliajului ca rezultat al heterogenităţii structurale. În cadrul oţelurilor Cr-Ni acest proces este favorizat de prezenţa compuşilor intermetalici la marginea grăunţilor cristalini. Aceşti compuşi formează o zonă intercristalină de tranziţie cu reţele deformate de sute de Å. În acestă zonă există o localizare a excesului de energie potenţială. Regimul de încălzire aplicat urmat de o răcire lentă are ca efect distribuirea uniformă a elementelor de aliere în interiorul cristalului şi în zona intercristalină, excesul de energie scade şi deci şi tendinţa de coroziune. Menţinerea la temperaturi înalte urmată de răciri rapide conduce la obţinerea unor zone eterofazice datorită concentraţiei unor elemente de aliere în zona intercristalină. Datorită răcirii rapide aceste elemente nu au difuzat în interiorul cristalului. Ca urmare a aplicării acestui regim termic creşte excesul de energie potenţială în zona intercristalină şi deci şi tendinţa de coroziune. Există diferite teorii care încearcă să explice cauzele coroziunii intercristaline, cum ar fi :

- Teoria sărăcirii limitei granulei în crom; - Teoria privind apariţia tensiunilor la limita cristalelor.

Conform acestei teorii precipitarea fazelor în exces produce tensiuni care produc o diferenţă de potenţial de câteva zecimi de volţi

Factorii principali care influenţează coroziunea intercristalină :

- compoziţia chimică; - temperatura de încălzire;

261

13.4. Metode de protecţie anticorozivă a metalelor Deteriorarea şi degradarea materialelor pot fi prevenite, iar viteza acestora micşoratã prin diferite tratamente şi metode, prin inspecţii şi evaluãri. Aceste mãsuri sunt extrem de necesare şi de economice, deoarece este mai ieftin, mai uşor sã previi apariţia unui fenomen decât sã elimini urmãrile acestuia. Protecţia împotriva coroziunii se poate realiza prin:

1. Alegerea raţionalã a materialului; 2. Aplicarea depunerilor şi a peliculelor protectoare; 3. Prelucrarea mediului coroziv; 4. Aplicarea metodelor electrochimice de protecţie; 5. Alegerea raţionalã a tipului de construcţie şi a condiţiilor de

exploatare a utilajelor.

1. Alegerea raţionalã a materialului; Cea mai importantã metodã metodã de micşorare a pierderilor de metal prin coroziune constã în alegerea justã a materialelor utilizate şi a metodelor de prelucrare. Din motive economice, uneori nu putem adopta cea mai eficientã metode de protecţie anticorozivã, preferându-se materiale mai puţin rezistente dar mai ieftine. In cazul utilizãrii materialelor metalice, existã modalitãţi prin care putem îmbunãţãţi rezistenţa anticorozivã prin prelucrarea termicã şi prelucrarea mecanicã. Astfel, prin cãlire se mãreşte gradul de omogenitate al unor aliaje şi implicit creşte rezistenţa la coroziune. In condiţii de coroziune atmosfericã, se obţin rezultate bune prin prelucrarea finã a suprafeţelor. Când aceste metode nu dau rezultat, putem îmbunãţi proprietãţile anticorozive prin alierea materialului de baza, cu elemente de aliere care conduc la creşterea rezistenţei la coroziune, cum ar fi cromul. Întrucât metalele şi aliajele rezistente la coroziune sunt rare şi scumpe, în practică se utilizează metale şi aliaje autoprotectoare, care în timpul coroziunii iniţiale se acoperă cu o peliculă pasivizată sau se utilizează oţeluri anticorozive cu Ni, Cr. Trebuie sã avem în vedere atât alegerea corectã a materialelor metalice cât şi a celor nemetalice.

262

2. Aplicarea depunerilor şi a peliculelor protectoare; Protecţia suprafeţelor metalice se realizează prin depunerea unui strat metalic sau nemetalic care constituie o barieră între suprafaţa de protejat şi mediul agresiv. Depunerile trebuie să fie continui, fără pori şi aderenţe. Depunerile de starturi protectoare pot fi, dupã natura stratului depus: - metalice - anorganice (oxizi, cromaţi, fosfaţi) - organice (lacuri, vopsele) - silicaţi (emailuri) Protecţia prin învelişuri anticorozive se realizează prin acoperirea metalului cu un strat subţire de material protector. Stratul protector trebuie să îndeplinească următoarele condiţii :

- să fie compact şi aderent; - să fie suficient de elastic şi plastic; - să aibă grosime uniformă;

Stratul protector poate fi metalic sau nemetalic. Depunerile metalice se realizează pe cale galvanică sau termică prin imersie, pulverizare, placare, etc.

Depunerile metalice se execută în două variante : 1) Fără a ţine cont de aspectul depunerii, interesându-ne

numai protecţia anticorozivă. 2) Lunând în considerare şi aspectul exterior.

Din prima grupă fac parte zincarea, cadmierea, cuprarea, eloxarea, iar din cea de a doua depunerile de straturi succesive din mai multe metale, combinate în aşa fel încât ultimul strat să fie cel mai electronegativ şi mai ieftin Cu+Ni, Cu+Ni+Cr. Grosimea depunerii variază de la 3 μm la 60 μm. Depunerile nemetalice sau acoperirile cu materiale peliculogene se fac în scopul protecţiei anticorozive. Rezistenţa anticorozivă creşte cu grosimea stratului depus care este condiţionată de lipsa de porozitate, uniformitate, aderenţă. Pentru a asigura aceste condiţii suprafeţele se curăţă de oxizi (decapare) şi se conferă o anumită rugozitate suprafeţei pentru a obţine o bună aderenţă a primului strat depus. Aceste depuneri se realizează prin pulverizare simplă sau în câmp electrostatic.

263

Procedee de acoperiri metalice Straturile de acoperiri metalice se aplică pe metale, dar şi pe nemetale (plastic, hârtie). După acţiunea de apărare, în raport cu metalul de bază, învelişurile se împart în catodice şi anodice. Învelişurile catodice au un potenţial electrodic mai puţin negativ decât al metalului apărat. În cazul deteriorării peliculei de protecţie coroziunea va acţiona asupra metalului de bază. Exemplu : Cu, Ni, Cr aplicate pe oţeluri. Potenţialul electrodic al învelişurilor anodice este mai negativ decât al metalului de apărat. La distrugerea integrităţii lui, învelişul anodic se distruge singur şi apără metalul de bază. Exmplu : Zn. Acoperiri prin scufundare în metal topit Suprafeţele ce urmează a fi protejate se curăţă şi se decapează. Se introduc în baia de metal topit şi se răcesc în bazine speciale. La contactul topiturii cu materialul de bază are loc difuzia atomilor de metal topit în reţeaua ce trebuie protejată. Se formează astfel un aliaj care asigură aderenţa stratului depus. În cazul în care cele două metale nu se aliază se adaugă în topitură elemente intermediare. De exemplu la acoperirea fierului cu Pb se adaugă 5% Sn. Prin acest procedeu se obţin tabla şi sârma zincată şi tabla cositorită pentru confecţionarea cutiilor de conservă. Acoperiri prin galvanizare Cea mai răspândită metodă, realizându-se straturi unice sau succesive. Învelişul galvanic se realizează prin electroliză în baia de electrolit ce conţine ioni ai metalului ce se depune. La catodul sursei se va lega piesa de acoperit, anodul fiind format din plăci de metal ce se depune (anodul solubil) sau din grafit (anodul insolubil). Se pot depune Zn, Cd, Sn, Cu, Cr, Ag.

1. Zincare – se aplică la protejarea oţelurilor. Etapele zincãrii sunt :

- degresare în solvent organic; - decapare pentru îndepărtarea oxizilor metalici; - depunere cianurică electrolitică;

264

- pasivizare pentru a realiza prin stratul superficial de Zn o bună rezistenţă anticorozivă (se face o spălare-activare şi neutralizare minuţioasă);

2. Cadmiere este similară zincării din punct de vedere al etapelor tehnologice.

3. Cromare lucioasă decorativă se aplică la protejarea oţelurilor. Etape cromãrii sunt :

- polizare, periere; - degresare în solvent organic + chimic; - nichelare mată; - cuprare lucioasă; - nichelare lucioasă; - cromare lucioasă;

4. Eloxare este o metoda de protecţie care se aplică aluminiului. Etape eloxãrii sunt :

- polizare, periere; - degresare în solvent organic; - degresare chimică; - lustruire; - eloxare (oxidare anodică);

5. Oxidarea constă în îngroşarea artificială a peliculelor de oxizi pe

cale chimică sau electrochimică. 6. Pasivizarea este o acoperire cu oxizi sau sãruri ale materialului de bazã. Pasivizarea urmãreşte de regulã obţinerea unui strat compact şi uniform de oxizi sau sãruri pe suprafaţa metalului de bazã, care sã se constituie într-o barierã protectoare împotriva coroziunii.

7. Brunarea se realizează prin scufundarea piesei degresate şi decapate în soluţie de NaOH 650-700 g/l la 410 °K.

8. Fosfatarea constă în formarea pe suprafaţa materialului metalic a unui strat de fosfaţi insolubili şi se aplică pentru protejarea fontei, a oţelurilor nealiate. Pelicula de fosfaţi e poroasă, aderentă, absorbantă şi se foloseşte ca înlocuitor al grundurilor pentru acoperirea cu vopsele în construcţiile navale.

9. Aluminizare este operaţia de protejare şi asigurare a suprafeţei reflectorizante de la oglinzile farurilor şi lămpilor auto. 10. Metalizare prin pulverizare 11. Placarea se poate efectua prin prin :

- turnare; - deformare plastică (laminare); - sudare;

265

- sinterizare; Grosimea optimă a stratului de protecţie se stabileşte în funcţie de condiţiile de funcţionare a piesei. Acestea se împart în 4 categorii: uşoare, medii, grele şi foarte grele.

Mat. de acoperit

Uşoare Medii Grele Foarte grele

Zn 5 10 15 25 Cd 6 8 10 12

OL

Cu-Ni-Cr 10 20 40 50 Metalizarea Scopul metalizării nu este numai de protecţie anticorozivă, ci şi de modificare a aspectului exterior şi a proprietăţilor stratului de suprafaţă (duritate, rezistenţă la uzare, durabilitate, etc.). Dintre procedeele de metalizare, cel mai frecvent se aplică metelizarea prin pulverizare şi prin placare. Metalizarea prin pulverizare. Se efectuează proiectând metale sau aliaje topite, ori pulverizate din stare topită, pe suprafeţele metalice sau nemetalice cu ajutorul unui pistol de metalizat. Prin solidificare, particulele proiectate pe suprafeţele de metalizat se sudează între ele, formând o peliculă aderentă, datorită în special, tensiunii superficiale dintre cele două suprafeţe în contact (suprafaţa de metalizat şi pelicula metalică). Aparatul de metalizat trebuie să realizeze: topirea metalului topit şi antrenarea particulelor formate către suprafaţa de metalizat. Topirea materialului metalic ce se va pulveriza se realizează fie din pulbere metalică, fie din sârmă. Utilizarea pulberii sau sârmei metalice este condiţionată de caracteristicile metalurgice ale acestora şi proprietăţile tehnologice impuse peliculei ce se va forma. Căldura necesară topirii materialului metalic, ce se va pulveriza, poate fi produsă prin intermediul unei flăcări cu gaz, prin intermediul energiei electrice sau prin jet de plasmă. Pulverizarea şi antrenarea particulelor pulverizate spre suprafaţa de metalizat se face obişnuit cu ajutorul unui curent de aer sub presiune. În cazuri speciale, în loc de aer se poate utiliza şi alt gaz, ca de exemplu azot, heliu, argon, etc. Dintre avantajele metalizării prin pulverizare se amintesc :

- o productivitate deosebit de mare; - posibilitatea acoperiri suprafeţelor oricât de mari; - posibilitatea acoperirii şi cu aluminiu, care nu poate fi

depus pe cale galvanică;

266

- posibilitatea realizării unor straturi cu excelente calităţi de antifricţiune;

Dintre dezavantaje amintim : - stratul depus are o rezistenţă la tracţiune şi încovoiere

mică şi o rezilienţă redusă; - piesele astfel acoperite nu pot fi prelucrate prin deformare

plastică; - pe aceste zone nu se pot tăia filete, canale; - din cauza degajării de pulberi metalice fine şi de gaze

nocive, trebuiesc luate măsuri corespunzătoare de protecţia muncii;

13.5 Acoperiri nemetalice

Straturile protectoare nemetalice pot fi organice sau anorganice

folosind : lacuri, vopsele, emailuri sau folii de masă plastică. Peliculele nemetalice de protecţie se împart în 3 grupe:

1. Pelicule anorganice obţinute prin oxidare; 2. Pelicule organice formate din unsori, vopsele, lacuri; 3. Emailurile;

Vopselele şi lacurile se folosesc în scopuri decorative sau de protecţie anticorozivă. Componentele principale din care se compun materialele prin vopsire sunt :

- lianţi; - solvenţi; - pigmenţi;

Lianţii – sunt amestecuri de compuşi organici dizolvaţi într-un solvent, care după uscare formează pelicule continui. Cei mai utilizaţi sunt uleiurile vegetale, derivaţii celulozei, răşini naturale şi sintetice. Solvenţii sunt substanţe organice volatile şi pot fi :

- uşor volatile (alcool, acetonă); - cu volatilitate mijlocie (toluen); - greu volatile (whitespirtul);

Pigmenţii sunt substanţe organice sau anorganice, care imprimă culoare, măresc rezistenţa şi diminuează procesul îmbătrânirii vopselei. Mai există şi alţi constituenţi secundari : antioxidanţi, diluanţi, ş.a. . Vopselele sunt materiale de acoperire care pe lângă pelicula depusă mai dau şi culoare pieselor, datorită pigmenţilor. Cele mai răspândite sunt cele pe bază de ulei. Ele conţin dispersii fine ale pigmenţilor minerali şi organici în ulei.

267

După culoarea pigmenţilor avem : - albe (oxid de Pb, Zn, praf de Al); - galbene (galben de Zn, Pb); - roşii (miniu de Pb, Fe); - verzi (oxid de Cr, săruri de Cu); - negre (negru de fum);

Principalele proprietăţi caracteristice sunt : - puritatea; - puterea de acoperire (cantitatea în grame ce acoperă

perfect 1 cm2); - durabilitatea (la căldură şi îngheţ); - durata uscării; - intensitatea de vopsire (capacitatea de colorare);

Tehnologii de vopsire : pensulă, pulverizare, imersie. Etapele vopsirii sunt:

- decapare chimică; - spălare, uscare; - sablare; - grunduire; - vopsire;

Lacurile sunt materiale peliculogene care nu conţin pigmenţi (sunt incolore sau slab colorate). Unele lacuri după uscare se pot şlefui. Emailurile sunt suspensii de pigmenţi minerali şi organici în diferite lacuri. După uscare emailurile formează pelicule dure dar cu aspect neted şi lucios. Grundurile sunt substanţe peliculogene, protectoare, sub formă de suspensie de pulbere fină metalică de Zn sau Pb. Cu ajutorul lor se realizează protecţia anticorozivă. Chiturile se utilizează pentru umplerea golurilor şi netezirea suprafeţelor. Prin utiliozarea lor se îmbunătăţeşte aspectul exterior, dar nu şi rezistenţa mecanică. Proprietăţile anticorozive se înrăutăţesc. Principalele procedee de acoperire cu substanţe nemetalie a suprafeţelor în vedrea realizãrii protecţiei anticorozive sunt:

1. Grunduire electroforetică. Reperele fosfatate se introduc în baie şi sunt legate de anod. Particulele de vopsea, polarizate cu ajutorul curentului electric de la catod se depun şi formează un strat compact aderent. Etape :

- degresare alcalină; - fosfatare cristalină;

268

- spălare cu apă dezionizată; - grunduire electroforetică; - uscare la 180°C;

2. Vopsire electrostatică - se aplică peste stratul de grund depus electroforetic. Piesa metalică se leagă la “pământ”, iar emailul special, polarizat cu ajutorul câmpului electrostatic de 10 kV, se dirijează pe suprafeţele de vopsit.

3. Vopsire cu aer comprimat – se face cu ajutorul pistolului de pulverizat. Acest procedeu are un randament de 60%. E necesară o perdea de apă protectoare pentru a reţine particulele de vopsea. Etape :

- degresare alcalină sau cu solvenţi organici; - grunduire sau fosfatare; - grunduire pentru a asigura aderenţă emailului final; - vopsire; - uscare;

13.6 Clasificarea mijloacelor de protecţie

După structura acoperirii acestea se clasificã în : 1. Acoperiri subţiri (sub 1mm). Se realizează prin acoperiri

chimice propriu-zise, acoperiri anorganice (emailuri) sau organice (pe bază de răşini).

2. Acoperiri groase, cu folii (peste 1mm). Se fac cu folii din cauciuc sau pe bază de materiale plastice.

3. Acoperiri complexe. Se face prin placare şi chituire sau prin vopsele armate cu fibră de sticlă sau ţesături de policlorură de vinil.

4. Acoperiri galvanice. Constă în depunere electrolitică de metal. 5. Acoperiri prin difuziune. Suprafaţa piesei reacţionează cu

particule fine ale metalului de protecţie. Procesul se realizează în atmosferă reducătoare sau neutră la o temperatură mai coborâtă decât punctul de topire, dar mai ridicată decât cea de recristalizare a metalului de acoperit. Se formează un strat protector la suprafaţă din metal pur, iar pe măsura îndepărtării de la suprafaţă conţinutul metalului depus scade. Se acoperă fierul cu Zn şi Al. La acoperirea fierului cu Al, se formează o soluţie solidă de Al în Fe 20-30% Al, iar adâncimea stratului este de 0,3-0,8 mm.

269

3. Prelucrarea mediului coroziv;

In numeroase cazuri cum ar fi: coroziunea cazanelor, a sistemelor de rãcire, a evaporatoarelor, distrugerea metalului poate fi prevenitã prin micşorarea caracterului agresiv al mediului. Pentru aceasta, soluţia este prelucratã în scopul îndepãrtãrii agentului oxidant. Prelucrarea mediului coroziv are în vedere micşorarea vitezei de corodare şi se poate realiza prin:

- modificarea ph-ului, adică reglarea lui la o valoare convenabilă pentru metalul protejat;

- îndepărtarea gazelor (O2, CO2) care măresc viteza de coroziune;

- utilizarea inhibitorilor sau a pasivitorilor care micşorează sau reduc viteza de coroziune;

Inhibitorii de coroziune sunt substanţe chimice care se adaugã în mediile lichide sau gazoase în vederea reducerii vitezei de coroziune, prin:

- încetinirea proceselor anodice sau catodice; - schimbarea naturii produşilor de coroziune; - modificarea rezistenţei chimice a electrolitului.

Apa de alimentare conţine înaintea dezaerãrii 2-3 mgO2/l. Pentru a micşora viteza de coroziune nivelul aerului trebuie redus la 0,010-0,015 mg/l.

4. Aplicarea metodelor electrochimice de protecţie; Constau în reducerea vitezei de coroziune a construcţiilor metalice prin polarizarea lor. Corespunzător domeniilor de pasivitate un metal poate fi protejat electrochimic fie prin deplasarea potenţialului la valori suficient de negative (cazul protecţiei catodice) fie prin deplasarea potenţialului la valori suficient de pozitive (cazul protecţiei anodice). Protecţia catodică. Se poate realiza pe două căi :

- cu sursă exterioară de curent; - cu anozi solubili;

Se foloseşte pentru protejarea navelor, conductelor, rezervoarelor, instalaţiilor portuare.

270

Protecţia catodică cu sursă exterioară de curent Se realizează prin polarizarea catodică (negativă) a construcţiei cu ajutorul unui electrod auxiliar care are rolul de anod în circuitul de polarizare.

1 = conductã de protejat; 2 = placã anodicã

3 = punct de drenaj; 4 = cablu electric Fig. 13.1. Schema de principiu a protecţiei anodice cu sursã de curent

exterior Pentru a se putea aplica metoda de protecţie trebuie să fie îndeplinite următoarele condiţii:

- în jurul suprafeţei de protejat să existe un mediu bun conducător de electricitate (apă de mare, sol umed) pentru a permite închiderea curentului electric;

- construcţia să aibă o configuraţie simplă pentru ca sistemul de anozi să fie simplu şi să nu apară ecranarea electrică;

- curentii folosiţi să nu pericliteze siguranţa personalului şi a instalaţiei;

Protecţia catodică cu anozi solubili (activi)

Constă în aplicarea pe construcţia metalică de protejat a unui număr de plăci de metal cu potenţial mai electronegativ decât al metalului construcţiei (anozi). Materialele folosite în mod curent sunt Zn, Mg, Al.

271

Se apreciază că protecţia a fost efectivă dacă după un timp se constată dizolvarea anozilor. Metoda are avantajul că se poate folosi acolo unde nu există sursă de curent. Necesită înlocuirea periodică a anozilor. Protecţia anodică Este o metodă relativ nouă. Se bazează pe trecerea metalului de protejat din stare activă în stare pasivă prin deplasarea potenţialului prin polarizare anodică cu sursă exterioară de curent. Schema de principiu a instalaţiei de protecţie anodică este redatã în figura de mai jos.

1-electrod de referinţă; 2-material de protejat anod; 3-catod insolubil

(platină); 4-soluţie corozivă; 5-potenţiometru Fig.13.2. Schema de principiu a instalaţiei de protecţie

anodicã Valoarea potenţialului de protecţie se stabileşte pentru fiecare

situaţie în parte (30 – 50 mV). Electrodul de referinţă serveşte la măsurarea potenţialului ε care este menţinut constant prin reglarea curentului de protecţie.

272

5. Alegerea raţionalã a tipului de construcţie şi a condiţiilor de exploatare a utilajelor.

Aceastã mãsurã are în vedere:

- coroziunea şi protecţia contactelor metalice - coroziunea sudurilor - coroziunea porţiunilor tensionate - coroziunea în rosturi înguste şi în fisuri - coroziunea în porţiuni greu accesibile - coroziunea în porţiuni de stagnare a lichidelor - coroziunea şi condiţiile de exploatare

In cursul asamblãrii diferitelor repere, în utilaje iau naştere diferite tipuri de macroeterogenitãţi, cum ar fi: contactul a douã metale diferite, sudurile, zonele tensionate. Coroziunea poate fi prevenită prin evitarea punerii în contact a unui metal cu altul mai electronegativ decât el. Metalele şi aliajelor se pot grupa în funcţie de mãrimea potenţialului electric dupã cum urmeazã:

GRUPA I Mg şi aliajele lui GRUPA II Cd, Zn, Al GRUPA III Fe, Pb, Sn GRUPA IV Cu, Cr, Ni, Ag, Au, Ti, oţel inoxidabil

Douã metale având potenţial electric diferit nu trebuiesc puse în contact, deoarece în acel moment apare transferul de sarcinã electricã de la un metal la altul, fapt ce constituie începutul coroziunii. De obicei metalul cu potenţial mai electronegativ se corodeazã mai repede. Distrugerea la contactul a douã metale diferite se mai numeşte şi coroziune galvanicã. Sunt binecunoscute urmãtoarele reguli empirice, de care este bine sã ţinem seama.

- cromul, titanul şi aliajele lor au o bunã rezistenţã la coroziune datoritã tendinţei lor pronunţate la pasivizare;

- viteza de coroziune a oţelurilor inoxidabile (cu minim 13% crom) creşte la contactul aliaje mai electropozitive;

- stabilitate plumbului, staniului şi a aliajelor de lipit se înrãuţãţeşte la contacul cu metale cu potenţial mai electropozitiv;

273

- oţelurile moi (carbon, nealiate) nu se recomandã a se utiliza neprotejate în apã; coroziunea oţelurilor se intensificã la contactul cu orice metal situat sub fier din punct de vedere al electropozitivitãţii;fierul se corodeazã intens în contact cu oţelurile inoxidabile, cromul, titatnul;

- Zincul se corodeazã puternic la contacul cu majoritatea metalelor tehnice şi de aceea este utilizat ca electrod;

- Aluminiul se corodeazã puternic în contact cu cuprul şi aliajele acestuia; nichelul, oţelul inoxidabil, cuprul, oţelul obişnuit nu trebuie puse în contact cu aluminiul;

- contactul dintre douã metale cu potenţial electric diferit se izoleazã prin materiale dielectrice.

Rolul a douã metale în contact se poate inversa în funcţie de natura electrolitului. Coroziunea se poate accentua şi la contactul unui metal cu un nemetal de tipul cãrbunele sau grafitul. De aceea uneori grafitul se evitã ca material component al garniturilor. Un rol important revine şi condiţiilor de exploatare a utilajelor. Astfel, alegerea corectã a condiţiilor tehnologice de exploatare poate contribui la micşorarea vitezei de coroziune şi mãrirea duratei de funcţionare. In general se recomandã sã se menţinã cât mai uniforme condiţiile de lucru. Trebuiesc evitate pe cât posibil alternãrile de medii oxidante şi reducãtoare, acide şi bazice, calde şi reci, chiar dacã materialele utilizate au bune proprietãţi anticorozive. De exemplu în instalaţiile din industria chimicã se întâlneşte frecvent intensificarea coroziunii sub acţiunea variaţiei concentraţiilor soluţiilor. Alegerea metodei de protecţie anticozivã Dupã cum la alegerea materialului anticoroziv se preferã, unui material mai rezistent unul mai puţin rezistent dar mai ieftin, tot aşa şi alegerea metodei de protecţie este rezultatul unui compromis tehnico-economic. La alegerea metodei de protecţie anticorozivã, trebuie sã se ţinã seama de factorii care influenţeazã coroziunea. Din cauza marii diversitãţi a cazurilor practice nu pot fi recomadate scheme de protecţie universale dar este util sã ţinem cont de unele recomandãri cu caracter general:

- depunerile metalice şi acoperirile cu lacuri se folosesc în special în cazul coroziunii atmosferice;

- cea mai ieftinã depunere metalicã –zincarea- este de câteva ori mai scumpã decât vopsirea;

274

- costul depunerilor galvanice descreşte în urmãtoarea succesiune: cromarea, nichelarea, stanarea, alãmirea, cuprarea; ca şi cost fosfatarea se apropie de cele mai ieftine depuneri galvanice.

La alegerea metodei de protecţie trebuie sã se ţinã seama şi de particularitãţile construcţiei protejate. Piesele cu conturul complicat nu se pot proteja bine prin acoperiri galvanice, din cauza puterii limitate de patrundere a majoritãţii bãilor galvanice. Piesele de mici dimensiuni şi cele supuse temperaturilor înalte nu se vopsesc. In industria chimicã depunerile galvanice nu se folosesc pe scarã largã, datoritã porozitãţilor din startul depus, preferându-se soluţia placãrii. Suprafeţele supuse frecãrii nu se fosfateazã deoarece stratul de fosfat mãreşte mult coeficientul de frecare. Metodele de prelucrare a mediului coroziv se utilizeazã numai pentru volume constante sau nu prea mari. In practicã este eficient sã aplicãm simultan douã sau mai multe metode de protecţie anticorozivã. Porţiunile de sub apã ale navelor se protejeazã atât prin vopsire cât şi electrochimic, cu anozi protectori.

275

BIBLIOGRAFIE

[1] Albu A. ş.a. – Programarea asistatã de calculator a maşinilor-unelte , Editura Tehnicã, Bucureşti, 1980.

[2] AmzaGheorghe, ş.a. – Tratat de Tehnologia Materialelor, Editura Academiei Române, Bucureşti, 2002.

[3] Aurel Nanu – Prelucrãri prin eroziune în construcţia de maşini, Editura Facla , Timişoara, 1980.

[4] Aurel Nanu - Tehnologia Materialelor - Editura Didacticã si Pedagogica , Bucureşti, 1977.

[5] Aurel Oprean ş.a. – Bazele aşchierii şi generãrii suprafeţelor , Editura Didacticã şi Pedagogicã, Bucureşti, 1981.

[6] Bastiurea Gh. Ş.a. – Comanda numericã a maşinilor-unelte , Editura Tehnicã, Bucureşti, 1976.

[7] Constantinescu Maia – Protecţia anticorozivã a metalelor, Editura Tehnicã, Bucureşti 1979.

[8] Daniel Gay – Materiax Composites, Editure Hermes, Paris, 1991.

[9] Dumitras C., C. Opran – Prelucrarea materialelor compozite , ceramice şi minerale, Editura Tehnicã , Bucuresti 1994.

[10] HagymaşG., Firoiu C., Radovici O. – Coroziunea şi protecţia metalelor, Editura tehnicã, Bucureşti 1963.

[11] Gavrilaş I., Marinescu N.- Tehnologii neconvenţionale, Reprografia Institutului Politehnic Bucuresti , Bucuresti 1984.

[12] Giacomelli I., M. Bormambet, G. Zamfirescu - Materiale şi tratamente termice pentru produse sudate, O. U. P, Constanţã. 2004.

[13] Leonard Stoian ş.a. - Tehnologia materialelor - Editura Didacticã şi Pedagogicã, Bucureşti, 1980.

[14] Miklosi C.– Sudarea metalelor, Editura Tehnicã, Bucureşti, 1965.

292

[15] Moldovan V., Chiriţã V.– Exploatarea raţionalã a maşinilor de forjat , Editura Tehnicã , Bucureşt,i 1979.

[16] Petre Gladcov si alţii – Tehnologia materialelor şi Semifabricatelor, PROINVENT, Bucureşti, 2002.

[17] Sofroni L.– Materiale şi amestecuri de formare pentru turnãtorii , Editura Tehnicã , Bucureşti, 1971.

[18] Sofroni L. ş.a. – Turnarea de precizie cu modele gazeficabile din polistiren, Editura Tehnicã , Bucureşti, 1991.

[19] T. Sãlãgean T. – Tehnologia procedeelor de sudare cu arc , Editura Tehnicã, Bucureşti, 1985.

[20] Teodorescu A. – Tehnologia extrudãrii metalelor, Editura Tehnicã, Bucureşti, 1975.

[21] Teodorescu C. – Imbinãri sudate - Editura Tehnicã, Bucureşti, 1975.

[22] Teodorescu M. ş.a. – Elemente de proiectarea ştanţelor şi matriţelor, Editura Didacticã si Pedagogica , Bucureşti, 1983.

[23] Techea P., C. Dan, X. Epure - Materiale pentru sudare standardizate, POIDPICM, Bucureşti, 1996.

[24] Voicu M. ş.a. - Tehnologia materialelor - Reprografia Institutului Politehnic Bucureşti , Bucureşti, 1974.

[25] Zgurã Gh. – Tehnologia sudãrii prin topire, Editura Didacticã şi Pedagogicã, Bucureşti, 1986.

[26] Zgurã Gh.– Prelucrãri prin deformare la rece - Editura Tehnicã, Bucureşti, 1982.

293