Sudarea prin topire

Sudarea cu flacra de gaze face parte din categoria procedeelor de sudare ce utilizeaz energia termo-chimic. Sursa de energie termic folosit pentru a nclzi local piesele la temperatura de topire o formeaz flacra de gaze. Cu flacra de gaze se pot suda oteluri nealiate si aliate, fonta cenuie, metalele neferoase si aliajele lor (Al, Cu, Zn, Ni, Mg, Am, Bz etc.) precum si metalele preioase.

Flacra de sudare oxiacetilenic se formeaz prin aprinderea amestecului gazos compus din gazul combustibil - acetilena - si oxigenul, la ieirea dintr-un arztor. n condiiile arderii normale o flacr oxiacetilenic prezint trei zone distincte, figura 2.1 : - nucleul luminos 1 corespunde disocierii acetilenei si nceputului arderii carbonului :

C2H2 + O2 2 C + H2 + O2 2 C + H2 + O2 2 CO + H2 + 450 000 kJ/kmolNucleul are o form cilindric si este nconjurat la exterior de un strat de carbon liber incandescent care-i confer luminozitatea caractristic : - flacra primar 2 este sediul reaciei de ardere primar cu formarea oxidului de carbon si degajarea unei cantiti mari de cldur . Are caracter reductor datorit CO si H2 coninute , este conic ca form mbrcnd nucleul luminos , se evideniaz datorit transparentei sale ; flacra secundar 3 corespunde arderii complete :

2 CO + H2 + O2 2 CO2 + H2O + 850 000 kJ/kmolcu oxigen din aerul nconjurtor. Gazele de ardere complet - CO2 si vaporii de ap i confer luminozitate , are temperatur mai sczut dect flacra primar datorit efectului de rcire al mediului nconjurtor. Din punct de vedere practic flacra oxiacetilenic este caracterizat de structura si forma sa ; compoziia si proprietile chimice ; temperatura. Structura si forma flcrii depinde de raportul volumetric al componentelor amestecului gazos : k = DO2/DC2H2 care n condiiile unei arderi complete trebuie s fie unitar. Practic n condiiile enunate, k = 1,1 1,2 corespunztor unei presiuni pC2H2 = max. 1,5 daN/cm2 si respectiv pO2 = 5 daN/cm2 .

Dac k = 1,1 1,5 flacra este oxidant, n zonele 1 si 2 predomin oxigenul. Flacra este redus ca dimensiuni, figura 2.2, a , arde zgomotos, este violet pe fond albastru, ca nuant. Este utilizat doar pentru sudarea alamelor. Dac k = 1,1 1,2 flacra este normal, neutr, figura 2.2, b, zonele flcrii sunt perfect delimitate, structura si nuana flcrii sunt constante. Este flacra cea mai utilizat la sudarea metalelor feroase si neferoase (Ol, Cu, Zn, Ni, etc.) datorit caracterului reductor al flcrii primare si temperaturii nalte. Dac k = 0,7 1,0 flacra este carburant, figura 2.2 , c, zonele flcrii se ntreptrund, flacra este deformat, lung, de culoare roiatic. n zona primar exist carbon , flacra se utilizeaz doar pentru sudarea aluminiului, fontelor si la ncrcarea prin sudare. Temperatura flcrii este una din caracteristicile importante, depinde de compoziia amestecului gazos fiind maxim pentru k = 1,1 1,3. Ea variaz n lungul si transversal flcrii n diverse zone, figura 2.3 . Temperatura maxim apare n flacra primar la cca. 5 20 mm de extremitatea nucleului, n funcie de debitul de amestec combustibil, variind ntre 3100 3200 grade C, n funcie de puritatea gazelor. Cu toate acestea randamentul tehnic al flcrii este foarte redus ( n = 0,80 0,11) datorit dispersiei pronunate al cldurii flcrii.

La obinerea flcrii oxiacetilenice se folosesc ca materii prime oxigenul si acetilena.

OxigenulOxigenul este un gaz incolor, transparent, inodor si insipid. Este mai greu dect aerul, 1 m3 de oxigen la 15oC si presiunea atmosferic cntrete 1,38 kg. n condiii de presiune atmosferic obinuit este gazos. Prin rcire la 180oC se lichefiaz, proprietate folosit la fabricarea sa industrial. Oxigenul lichid este transparent, cu nuant albstruie. Oxigenul se fabric la puriti de 97 % (tip 97), 98 % (tip 98), 99 % (tip 99). Industrial, sunt trei metode de fabricaie : - metoda chimic, prin descompunerea srurilor oxizilor ; - metoda electrochimic, prin electroliza apei ; - metoda prin distilarea fracionat a aerului lichid, metoda cea mai rpspndit la scar industrial. Metoda se bazeaz pe diferena de temperaturi de vaporizare ntre principalele componente ale aerului lichid (O2 - 183oC ; N2 - 195oC). Oxigenul se livreaz n stare gazoas, n butelii si respectiv n stare lichid, n cisterne. Butelia de oxigen, figura 2.4, conine oxigen comprimat la 147 daN/cm2 si 15oC, capacitile uzuale fiind de 40 si 50 dcm3. Sunt vopsite n albastru conform STAS 2031-71, cu inscripia OXIGEN. Butelia este confecionat din otel carbon de mare rezisten, iar robinetul ventil din alam conform STAS 2499-71. n scopul simplificrii manipulrii buteliilor la un consum mare de gaz se folosesc baterii de butelii, figura 2.5, buteliile fiind montate n cadre triunghiulare. Oxigenul lichid transportat n cisterne are avantajul deosebit al unui pre de cost sczut al transportului si n greutate mai mic a recipientului pentru transport, proporia fiind de 1 : 10 fa de oxigenul gazos.

Evaporarea oxigenului la locul de ntrebuinare se face cu evaporatoare sau gazeificatoare, care pot s fie calde (medie presiune), sau reci (presiune nalt), figura 2.6.

AcetilenaAcetilena este o hidrocarbur nesaturat n stare gazoas la temperatura ambiant si presiune atmosferic, cu miros slab eteric, la gust cu senzaii dulci, toxic dac este inspirat timp ndelungat. Se lichefiaz la presiune atmosferic la 80oC, n condiii normale 1 Nm3 cntrind 1,11 kg. Este solubil n ap (proporie 1 : 1), n alcool (1 : 5) si aceton (1 : 25). Este instabil la presiuni ridicate, peste 15 16 daN/cm2 devine explozibil. Acetilena este un compus endoterm, aceast proprietate fiind originea de gaz combustibil. Puterea calorific a acetilenei este (5,6 5,7) 104 kJ/Nm3. Acetilena arde n oxigen :

C2H2 + 5/2 O2 2 CO2 + H2O + 1,3 106 kJ/molcu producerea unei mari cantiti de cldur, presiunea maxim de lucru fiind 1,5 daN/cm2 . Amestecul de acetilen si aer este explozibil chiar la 3% acetilen . Industrial, acetilena se obine prin descompunerea carbidului n contact cu apa :

Ca C2 + 2 H2O C2 H2 + Ca(OH) 2 + 1,27 10 5 kJ/molCarbidul comercial se livreaz conform STAS 102-73 n 7 tipuri granulometrice(tab. 2.1) coninnd cca. 70-80% CaC2 , restul impuriti. Reacia de descompunere are loc n generatorul de producere a acetilenei, acetilena putnd fi consumat de la generator sau se mbuteliaz. Acetilena se mbuteliaz conform STAS 3660-79 la presiuni de maxim 16 daN/cm2 la 15o C. Presiunea acetilenenei mbuteliate variaz n funcie de temperatur, figura 2.7. Butelia de acetilen este asemntoare cu cea de oxigen, figura 2.8, coninnd 20 kg mas poroas si 12 kg de aceton ca mediu de dizolvare, la capacitatea de 40 dm3 butelia conine cca. 4 m3 acetilen n condiii de presiune normal. Robinetul ventil al buteliei este din material feros, n scopul evitrii formrii acetilurii de cupru, substan exploziv. Buteliile de acetilen sunt vopsite n alb sau galben cu inscripia ACETILEN.

Tipuri granulometrice si caracteristici ale carbiduluiTABELUL 2.1 Tip granulometric

0110- 80

I80-50 280 0,829

II50-25 270 0,851

III25-15 260 0,894

IV15-7 250 0,934

V07-4 235 0,958

VI4-2 230 1,012

Dimensiunea granulelor, mm Volum de C2H2 dezvoltat, dm3/kg Volum ocupat de 1 kg carbid, dm3 320 0,802

Alte gaze combustibile Metilacetilena-propadiena (MAPP) este un gaz lichefiat, vaporii gazului avnd caracteristici apropiate de acetilen (temperatura flcrii de 2925o C). Este mbuteliat, transportat si manipulat ca orice gaz lichefiat. Avantajul MAPP-ului este limita mai redus de de explozie n amestecul cu aerul, comparativ cu acetilena, respectiv sigurana n exploatare. Metanul are puterea calorific 3,5 104 kJ/Nm3 , arde n amestec cu oxigenul, temperatura flcrii fiind 2000 21000 C. n amestec cu aerul este exploziv, se mbuteliaz la 147 daN/ cm2, buteliile fiind vopsite n rou cu inscripia METAN. Se folosete la sudarea tablelor subiri si la tierea cu oxigen. Hidrogenul are puterea calorific 1.05 10 4 kJ/Nm3 , temperatura flcrii 2000 o C, arde n oxigen. Se mbuteliaz la 147 daN/ cm2, buteliile sunt vopsite conform STAS 3100-79 n rou nchis-brun cu inscripia HIDROGEN.

n componenta unei instalaii pentru sudarea cu flacr de gaze intr : - generatorul de producerea acetilenei sau butelia de acetilen prevzut cu reductorul de presiune; - epuratorul sau filtrul chimic; - butelia de oxigen cu reductorul de presiune; - furtune pentru conducerea celor dou gaze (rou C2 H2 , albastru O 2 ). - arztorul pentru sudare (sau trusa de sudare); - diverse accesorii (perii de srm, ciocane etc.). Generatoarele de acetilen se mpart dup diverse criterii, criteriile de baz fiind presiunea de generare a acetilenei si sistemul de contact ntre carbid si ap. Astfel pot fi generatoare de joas presiune (p< 0,3 daN/ cm2), de presiune medie (p= 0,3 0,8 daN/cm2) si de nalt presiune (p= 0,8 1,5 daN/cm2), respectiv generatoare sistem carbid n ap, ap peste carbid si prin contact intermitent (contact si refulare)Cel mai utilizat este generatorul GA 1250, figura 2.9. Generatorul funcioneaz dup sistemul contact si refulare, debiteaz 1,25 Nm2/h la o presiune de 0,1 0,3 daN/cm2. Dup contactul carbid-ap se produce acetilena. Crescnd presiunea gazului, aceasta refuleaz apa de sub clopotul 2 n partea superioar a rezervorului 1, contactul ntre carbid si ap nceteaz. Pe msura consumrii acetilenei, datorit presiunii exercitate de ap si clopot apa ptrunde sub clopot, clopotul cu silozul 3 coboar n ap si reacia se restabilete . Acetilena produs trece peste epuratorul sau filtrul chimic 8, separndu-se impuritile chimice (H2S, H3P) si eventualele impuriti mecanice nereinute de ap. n continuare, gazul trece peste supapa de siguran 9.

Supapele de siguran pot fi hidraulice, figura 2.10, sau uscate, figura 2.11, de presiune mic, medie sau nalt (la fel ca generatoarele), ele avnd rolul de a opri ntoarcerea flcrii n generator si evacuarea undei de oc n atmosfer. Oxigenul este admis din butelie prin reductorul de presiune, figura 2.12 , care reduce presiunea oxigenului de la 147 daN/ cm2 la presiunea de lucru (2 5 daN/ cm2 ). Reductorul de presiune pentru butelia de acetilen este asemntor celui de oxigen, doar c n locul racordului filetat 2, are jug de strngere sau brid. Prin furtun (rou pentru gazul combustibil, albastru pentru oxigen) gazele ajung la arztorul de sudare, figura 2.13. Arztoarele de sudare se livreaz n trusele de sudare, figura 2.14, pentru sudarea grosimilor 130 mm, trusele cuprind si arztoarele pentru tierea cu oxigen. Caracteristicile tehnice ale arztoarelor pentru sudare sunt cuprinse n tabelul 2.2.

Caracteristici tehnice ale arztoarelor pentru sudareTABELUL 2.2 Nr. arztor Grosimea materialului sudat, mm Consum acetilen,dm3/h Consum oxigen,dm3/h Presiune oxigen, daN/cm2 Lungime nucleu luminos, mm Vitez de sudare posibil, m/h 0 0,5-1,0 75 86 1,5-2,0 6 12-10 1 1-2 150 175 1,8-2,5 8 8-6 2 2-4 300 330 2,5-2,8 12 6-4 3 4-6 500 550 2,5-3,0 15 4-3 4 6-9 750 825 2,8-3,5 17 3-2 5 9-14 1 200 1 320 3,5-4,0 19 2-1,5 6 14-20 1 700 1 850 3,8-4,5 21 1,5-1 7 20-30 2 500 2 750 4,0-5,0 25 1-0,75

Accesoriile operatorului sudor cuprind n afar de utilajul descris, ochelari de sudur, perii de srm, calibre, abloane de sudur, ciocane de sudur si ciocane de lctuerie.

Tehnologia de sudare cu flacr de gaze presupune stabilirea urmtoarelor : - regimul de sudare ; - pregtirea rostului de sudare ; - metoda de sudare ; - modul operator ; - eventuale tratamente termice .

Regimul de sudareConst n alegerea puterii arztorului, metalului de adaos, formei si structurii flcrii. Puterea arztorului, respectiv debitul volumetric specific de amestec gazos se face tabelar (tab. 2.3) sau grafic, figura 2.15 n funcie de materialul sudat. Metal de baz Debit volum specific, dm3/h/mm Raport n amestec combustibil, k=DO2/DC2H2 Oel Font cenuie 100 - 150 Cupru Alame si bronzuri 125 - 180 Aluminiu si aliaje 75 - 125 Plumb

80 - 180

180 - 225

10, - 25

1,0 - 1,2

0,9 - 1,0

1,1 - 1,2

1,3 - 1,5 1,1 - 1,2

0,9 - 1,0

1,0 - 1,1

Valori ale debitului volumetric specificTABELUL 2.3

Metalul de adaos se alege ca diametru si compoziie n funcie de grosimea si compoziia chimic a metalului de baz. Diametrul metalului de adaos se alege dup relaii empirice : dma = (0,5 0,25)s, n mm dma = (1,2 1,5)s, n mm sau tabelar (tab. 2.4).

Valori ale diametrului metalului de adaosTABELUL 2.4

Grosime metal-smm Diametru metal de adaos-dma mm

1,5 1,5 - 2,0

1,6 - 3 2,5 - 3,0

3,1 - 5 3-4

5,1 - 7 4-5

7,1 - 10 5-6

10,1 6-7

Relativ la compoziia chimic, metalul de adaos trebuie s aib compoziia metalului de baz sau mbuntit, cu adaosuri de elemente de aliere care s compenseze arderea acestora n procesul de sudare sau s mbunteasc proprietile mbuntiri sudate. Metalul de adaos trebuie s corespund certificatului de calitate, s fie curat, lipsit de impuriti sau unsori, s aib suprafaa neted. Se livreaz sub form de colaci sau vergele cu lungimea 0,8 1 m, n gama de diametre 1 8 mm. Forma si structura flcrii se alege n funcie de natura materialului de baz, detalii se vor da la tehnologiile specifice de sudare.

Pregtirea rostului de sudareSe refer la prelucrarea si curirea rostului de sudare n vederea asigurrii formei si strii necesare procesului de sudare. Rostul indicat la sudarea otelurilor carbon si slab aliate, figura 2.16, se obine prin tierea mecanic sau cu oxigen.

Metode de sudare

Aplicat corect conduce la utilizarea raional a cldurii flcrii, calitate superioar a mbinrii sudate, productivitatea maxim si economie de material. Metoda de sudare spre stnga (nainte), se aplic tablelor subiri, pn la 5 7 mm, figura 2.17, a , este uor de nvat, permite obinerea unor suduri cu aspect neted, estetic. Viteza de sudare este mic, debitul de gaze mare, calitatea mbinrii sudate este sczut. Sudarea spre dreapta (napoi), se aplic tablelor mai groase, figura 2.17,b, respectiv 5 30 mm la execuia sudurilor solicitate n exploatare, la sudarea otelurilor slab si bogat aliate, materialelor neferoase aceasta deoarece flacra fiind ndreptat spre custur realizeaz un tratament termic. Metoda este mai greu de nsuit, productivitatea mai ridicat (cu 20 25%), consum de gaze mai sczut (cu 10 15%) dect sudarea spre stnga.

Modul operatorSe refer la deplasarea si micrile arztorului si metalului de adaos n timpul procesului de sudare. Acesta se deplaseaz n axa rostului, pentru repartizarea uniform a cldurii si metalului de adaos

pe cele dou componente, figura 2.18, micrile arztorului si metalului de adaos sunt n opoziie, arztorul fiind nclinat fat de suprafaa componentelor, n funcie de grosimea lor, figura 2.19, metalul de adaos pstreaz nclinaie constant (30 45o).

Tratamentele termice

Pot s fie prenclzite sau tratamentele postoperatorii, ele fcndu-se difereniat n funcie de natura metalului de baz si calitatea cerut mbinrii sudate. De la caz la caz, n funcie de gabaritul componentelor, ele se pot executa cu flacra de sudare, cuptoare sau vetre amenajate.

Sudarea otelurilor carbon

Se realizeaz fr dificulti dac se tine seama de : - arderea carbonului si formarea porilor; - formarea structurii Widmannstttn. n acest sens, regimul de sudare se prescrie astfel : - puterea arztorului : 120 180 dm3/h/mm grosime component , - metalul de adaos de compozitia metalului de baz al componentelor, sau mbunttit cu adaosuri de Si, Mn, Mo, pentru evitarea porilor, conform STAS 1126-76; - flacra de sudare neutr, sudarea executndu-se n zona reductoare a flcrii, figura 2.20, cu vitez de sudare mare, pe ct posibil sudarea executndu-se ntr-o singur trecere; - la continut n carbon peste 0,3% se aplic o prenclzire la 150 300o C nainte de sudare, iar dup sudare o recoacere de detensionare la 750 800o C cu ciocnirea usoar a custurii, n scopul omogenizrii structurii si detensionriimbinrii sudate.

Sudarea otelurilor slab aliate

Regimul de sudare impune respectarea urmtoarelor : - puterea arztorului redus, respectiv 75 120 dm3/h/mm grosime component ; - metal de adaos de compoziia metalului de baz al componentelor ; - prelucrarea rostului conform figurii 2.16 ; - flacr uor reductoare (k= 1,0 1,1) ; - metoda de sudare si modul operator . nainte de sudare, componentele se prenclzesc la o temperatur corespunztoare nivelului de aliere, grosimii etc. (250 300o C), sudarea se execut cu vitez mare, pn la 10 mm grosime ntr-o singur trecere, peste 10 mm fiind admise si dou treceri. Dup sudare, mbinarea se supune normalizrii prin nclzire la o temperatur corespunztoare nivelului de aliere si rcire n aer linitit.

Sudarea otelurilor aliate

Tehnologia de sudare se stabilete difereniat n funcie de compoziia otelului, dificultile care apar sunt legate de : - arderea elementelelor de aliere ; - conductibilitate termic redus ; - posibiliti de clire n ZIT ; - tendin de fragilizare si fisurare ; Regimul de sudare va tine seama de : - putere redus a arztorului, respectiv 100 140 dm3 /h/mm grosime component ; - flacr de sudare reductoare (k= 0,95 1,1) ; - material de adaos de compoziie identic sau mbuntit compoziiei metalului de baz al componentelor ; - pregtirea rostului ca si pentru otelurile slab aliate. Sudarea se execut continuu, cu vitez mare pentru a compensa conductibilitatea termic sczut, pe ct posibil ntr-o singur trecere, poziionnd componentele la mijlocul zonei reductoare a flcrii, figura 2.20. Pentru evitarea oxidrii elementelor de aliere se va folosi un flux decapant (borax). Exceptnd otelurile inoxidabile Cr Ni, componentele se prenclzesc local sau global nainte de sudare la 250 300o C, iar dup sudare se aplic o normalizare. La otelurile Cr Ni, dup sudare, se aplic mbinrii sudate o omogenizare prin nclzire la 1 100o C, meninere pentru omogenizare si rcire rapid.

Sudnd cu flacr de gaze fontele cenuii (2,3 3,0% C), se obin mbinri sudate de calitate foarte bun dac se in seam de urmtoarele : - folosirea arztoarelor de putere medie respectiv 100 150 dm3/h/mm grosime component ; - flacra de sudare este carburant (k= 0,9 1,0) ; - materialul de adaos are compoziia 3,0 3,5 % C; 3,0 3,5 % Si; 0,5 0,8 % Mn; 0,03 0,1 % S; 0,5 0,8 % P ; - flux de sudare format din sod de rufe si sare de buctrie ; - delimitarea locurilor defecte prin gurire cu un burghiu cu de 5 mm si pregtirea pentru sudare conform figurii 2.21 ; - prenclzirea local, preferabil global a piesei la 700 900o C n vetre special amenajate, cptuite cu materiale termoizolante ; - sudarea cu vitez mare, n locuri ferii de cureni de aer, metalul de adaos se topete prin cufundarea n baia de sudur ; - dup sudare piesele se vor rci cu vitez foarte mic, prin mpachetare n materiale termoizolante, nisip sau achii de turntorie.

Respectnd cele menionate n mbinarea sudat se creeaz condiii de grafitizare, respectiv mbinarea sudat are duritate sczut, putndu-se prelucra uor dup sudare. Sudarea cu flacr a fontelor cenuii se aplic doar la repararea defectelor de turnare sau a efectelor produse n exploatare (fisuri, uzuri, etc.).

Sudarea cuprului si aliajelor sale

Sudarea cu flacr de gaze a cuprului este competitiv cu sudarea WIG (n mediu de gaz protector cu electrod nefuzibil). Calitatea bun a mbinrii sudate este condiionat de respectarea urmtoarelor : - folosirea unor arztoare de putere mare, respectiv 180 225 dm3/h/mm grosime component care s compenseze conuctibilitatea termic ridicat (6 ori mai mare dect la otel) ; - pregtirea rostului de sudare cu deschidere mare (3 5 mm) ; - folosirea unei flcri strict neutr (k =1,05 1,1) care s evite absorptia gazelor (O 2 H2) ; - folosirea unui flux decapant (borax calcinat) care s mpiedice formarea oxizilor de cupru, oxizi care nruttesc calitatea mbinrii sudate ; - prenclzirea componentelor pn n apropierea temperaturii de topire (700 800o) ; - prinderi provizorii distantate la 100 125 mm, sau folosirea unui rost variabil ; - material de adaos cu continut de elemente dezoxidante (Si, Mn) ; - sudarea cu viteze ridicate fr ntreruperi si reveniri ale flcrii de mbinare ; - tratarea termic a mbinare dup sudare prin nclzire la rosu (500 600o C) si rcire rapid n scopul micsorri gruntilor. n cazul alamelor se respect indicatiile tehnologice precedente cu deosebirea c flacra de sudare este oxidant (k= 1,3 1,5) iar dup sudare mbinarea nu se trateaz termic.

Sudarea aluminiului si aliajelor sale

Indicaiile tehnologice pentru sudarea aluminiului si aliajelor sale se rezum la : - folosirea arztoarelor de putere mic (75 125 dm3/h/mm grosime) ; - foosirea unei flcri carburante (k= 0,9 1,0) pentru a prentmpina formarea oxidului de aluminiu, greu fuzibil (2 050o C) ; - metal de adaos de compozitia celui de baz al componentelor ; - flux decapant pe baz de sruri de Li, Na, K, care s reduc Al2O2 format inerent ; - prenclzirea componentelor local sau global la 200 250O C, n scopul compensrii conductibilitii termice (de 3 ori mai mare ca a otelului) ; - prinderea provizorie ca si la cupru ; - sudare cu viteze mari, preferabil ntr-o singur trecere : - dup sudare ciocnirea la rece pentru umplerea porilor si finisarea structurii si nlturarea chimic sau prin fierbere a resturilor de flux care sunt corozive.