Universitatea Dunrea de Jos

TEHNOLOGII DE SUDAREDaniel VIAN

Galai - 2008

Departamentul pentru nvmnt la Distan i cu Frecven Redus Facultatea de Mecanica Specializarea Inginerie Economica si Industriala Anul de studii / Forma de nvmnt IV/IFR

CUPRINS

CAP.1. PROCESE I PROCEDEE DE SUDARE . 31.1. Energetica procesului de sudare 3 1.2. Sudarea prin topire i prin presiune .. 4 1.3. Clasificarea procedeelor de sudare prin topire .. 5

CAP.2. SUDAREA CU ARC ELECTRIC 72.1. Principii de baz .. 7 2.2. Polaritatea curentului electric 18 2.3. Recomandri la realizarea sudurilor 19 2.4. Transferul short-arc si transferul spray-arc ... 20 2.5. Clasificarea procedeelor de sudare cu arc electric .. 22

CAP. 3. ALGORITMUL DE CALCUL AL TEHNOLOGIEI DE SUDARE CU ARC ELECTRIC .. 233.1. Parametrii tehnologici la sudarea cu arc electric 3.2. Aria rostului, a cordonului i a trecerilor ... 3.3. Etapele calculului tehnologiei de sudare eu arc electric ... 3.4. Coeficientul de depunere i randamentul depunerii ... 3.5. Consumul de materiale la sudare . 3.6. Timpul de sudare. Factorul operator ... 23 27 30 30 32 33

CAP.4. PRENCLZIREA 354.1. Scopul prenclzirii .. 35 4.2. Calculul temperaturii de prenclzire .. 36 4.2.1. Metoda I.I.S. 37 4.2.2. Metoda Seferian . 38 4.3. Corelaia statistic ntre temperatura de prenclzire i proprietile zonei influenate termic .. 39

CAP.5. SUDAREA CU ARC ELECTRIC CU ELECTROZI NVELII 425.1. Clasificarea procedeelor de sudare manuala cu electrozi . 42 5.2. Performanele sudrii cu electrozi nvelii .. 43 5.3. Funciile nveliului electrodului 44 5.4. Caracterizarea electrozilor dup nveli .. 45 5.5. Algoritmul de calcul al tehnologiei de sudare cu electrozi nvelii .. 47 5.6. Tehnica operatorie la sudarea cu electrozi nvelii .. 50 5.7. Defecte tehnologice i msuri pentru evitarea lor 51

CAP.6. SUDAREA SUB STRAT DE FLUX (SF) 526.1. Clasificarea procedeelor de sudare sub strat de flux 6.2. Performanele sudrii sub flux . 6.3. Materiale de adaos la sudarea sub flux . 6.3.1. Fluxuri de sudare .. 6.3.2. Srme de sudare 6.4. Algoritmul de calcul a tehnologiei de sudare sub flux .. 6.5. Defecte tehnologice i msuri pentru evitarea lor .. 52 56 57 57 58 59 61

CAP.7. SUDAREA N MEDIU DE GAZE (SG) 637.1. Clasificarea procedeelor de sudare n mediu de gaze 63 7.2. Gazele folosite la sudare . 65 7.3. Electrozi nefuzibili . 69 7.4. Srme de sudur. Transferul materialului de adaos prin arc 70 7.5. Sudarea WIG (TIG) . 70 7.5.1. Performanele procedeului WIG . 70 7.5.2. Parametrii tehnologici de sudare 71 7.5.3. Tehnica sudrii WIG .. 72 7.6. Sudarea cu plasm ... 73 7.6.1. Performanele sudrii cu plasm .. 73 7.6.2. Tehnica sudrii cu plasm .. 75 7.6.3. Regimul de sudare cu plasm ... 76 7.7. Sudarea MIG i MAG ... 77 7.7.1. Performanele procedeelor MIG i MAG . 77 7.7.2. Materiale de sudare 78 7.7.3. Algoritmul de calcul al tehnologiei de sudare MIG i MAG . 79

CAP.8. ALTE PROCEDEE DE SUDARE CU ARC ELECTRIC 818.1. Sudarea n puncte (electronituirea) .. 81 8.2. Sudarea cu electrod nvelit culcat 82 8.3. Sudarea gravitaional 83 8.4. Sudarea n rost ngust 84 8.5. Sudarea antigravitaional 84 8.5.1. Sudarea mecanizat pe vertical 85 8.5.2. Sudarea mecanizat de corni 86 8.6. Sudarea sub ap . 87

CAP.1. PROCESE I PROCEDEE DE SUDARE

1.1. Energetica procesului de sudareSudarea este procedeul tehnologic de realizare a mbinrilor nedemontabile a unor componente metalice sau nemetalice prin interaciunea atomilor mrginai ai acestora. mbinarea ce rezult n urma procesului de sudare poart denumirea de sudur. Totalitatea operaiilor care concur la realizarea sudurii poart denumirea, aa cum s-a mai artat, de proces tehnologic de sudare. Unui proces tehnologie de sudare i este caracteristic un anumit procedeu de sudare. Coeziunea local n vederea obinerii sudurii se realizeaz cu un aport de energie termic sau mecanic sau i termic i mecanic. Prin aceasta atomii mrginai ai componentelor de sudat primesc energia necesar scoaterii lor din starea de echilibru stabil corespunztoare unui nivel energetic minim. Dup aceea, componentele i aduc atomii marginali la distane egale sau mai mici dect parametrul reelei cristaline. n aceast situaie ei se rearanjeaz n cristale comune celor dou componente astfel ca s ating din nou un minim energetic. Ca atare, procesul de sudare const n introducerea localizat, prin concentrare n timp i spaiu, a unei cantiti de energie n zona sudurii pentru a scoate atomii din starea lor de echilibru stabil i apropierea atomilor mrginai la distane egale sau mai mici dect parametrul reelei cristaline pentru ca ei s recristalizeze ntr-o reea comun corespunztoare unei noi stri stabile. Acest mecanism energetic este prezentat n figura 1.1.

Fig. 1.1.3

Deci, prin sudare se realizeaz saturarea legturilor dintre atomii de la marginile componentelor de sudat. Sudarea n Cosmos a confirmat concluzia potrivit creia vidul naintat din acest spaiu creeaz componentelor metalice posibilitatea de a se suda prin simpla aducere a lor n contact intim. Acest fapt arat c atomii mrginai, neavnd toate legturile cu ceilali atomi (sunt nesaturai), se afl la un nivel energetic deasupra minimului. Apropiindu-i ei vor forma reele cristaline comune componentelor, saturndu-i legturile. n atmosfera terestr acest procedeu folosit n Cosmos nu este posibil fiindc atomii mrginai nesaturai i completeaz legturile cu atomi de aer. Suprafeele metalelor conin straturi puternic aderente ale moleculelor de gaze, impuriti, grsimi etc. Ele se interpun ntre atomii metalici i fac imposibil orice interaciune ntre atomii mrginai a dou metale puse n contact.

2.2. Sudarea prin topire i prin presiunePentru realizarea activrii termice sau mecanice fiecare metal i aliaj are nevoie de o anumit cantitate de energie i de o anumit apropiere a atomilor marginali pentru a se suda. Dac energia termic se msoar prin temperatura la locul mbinrii T, iar energia mecanic prin presiunea p pe suprafeele n contact, atunci, pentru fiecare material se poate trasa o curb n coordonate T p (fig. 1.2).

Fig. 1.2.

Aceast curb separ planul temperatur - presiune n dou regiuni. Punctele de deasupra curbei reprezint regimurile cu care se realizeaz sudarea iar cele de sub curb reprezint regimurile de temperatur i presiune care nu pot realiza mbinarea sudat. n cazul cnd n zona mbinrii temperatura este superioar temperaturii de topire a componentelor Tt, iar presiunea de contact este egal cu p0 - presiunea atmosferic atunci ce realizeaz mbinarea prin sudare prin topire. Producndu-se topirea4

componentelor atomii se amestec ntr-o baie metalic comun, numit baie de sudur. Nu este nevoie de o presiune pentru a-i aduce ntr-un contact intim. Sudura care se obine prin solidificarea respectivei bi se numete sudur prin topire, iar procedeul de sudare folosind acest mecanism energetic se numete procedeu de sudare prin topire. Zona de deasupra curbei, cuprins ntre temperatura de topire Tt i temperatura de recristalizare Tr la care, pentru realizarea mbinrii, se folosete un aport de energie termic precum i un aport de energie mecanic, prin presiunea realizat ntre componente, poart denumirea de zona sudrii prin presiune. Punctul de coordonate pr i T0, n care T0 este temperatura mediului ambiant, este punctul n care sudarea se realizeaz fr nclzire, numit sudare la rece. Este cazul materialelor cu plasticitate ridicat: aluminiu, cupru etc. (fig. 1.2a) Nu toate metalele i aliajele suport regimul de sudare la rece corespunztor presiunii pr (fig. 1.2b). O presiune mai mare dect presiunea critic pcr - determin fisurarea componentelor. La aceste materiale (n general oelurile) nu se poate realiza mbinarea sudat dect dac presiunea este mai mic dect presiunea critic pcr i temperatura n zona mbinrii este mai mare dect temperatura critic Tcr. n aceast zon din planul T-p, cu presiunea mai mic dect pcr, se realizeaz sudarea la rece. Ca atare, mecanismul energetic fundamental al sudrii determin dou grupe de procedee de sudare i anume: - procedee de sudare prin topire la care p = p0 i T Tt; - procedee de sudare prin presiune la care 0 < p pr (pcr) i T < Tt. n cadrul fiecrei grupe de procedee de sudare se disting procedee clasificate dup sursa care furnizeaz energia de activare a atomilor mrginai. n cazul majoritii procedeelor se folosete energie electric care se transform n cldur fie printr-un arc electric, fie prin efect Joule. Se folosete, de asemenea, pentru obinerea energiei termice i flacra oxi-gaz, reaciile termochimice, jeturile de electroni i jeturile de fotoni precum i ultrasunetele i frecarea mecanic.

1.3. Clasificarea procedeelor de sudare prin topireProcedeele de sudare se clasific dup sursele de energie cu care se realizeaz nclzirea local. Astfel sudarea prin topire poate fi realizat cu energie electro-termic, cu energie termochimic i cu energie corpuscular. Sudarea cu energie electro-termic se obine folosindu-se ca surs de energie arcul electric sau efectul Joule. Sudarea cu arc electric poate fi realizat prin procedeele: cu electrod nvelit, cu protecie de gaz, sub flux sau prin alte procedee. Sudarea prin efect Joule este realizat n condiiile sudrii prin topire (exceptnd procedeele de sudare prin presiune) n varianta sudrii n baie de zgur. Sudarea cu energie termochimic ce realizeaz folosind energia flcrii oxigaz sau cea degajat n urma reaciilor termitului.5

Sudarea cu energie corpuscular se practic n varianta sudrii cu fascicol de electroni i a sudrii cu LASER.

Fig. 1.3.

6

CAP.2. SUDAREA CU ARC ELECTRIC

2.1. Principii de bazPrincipiul sudrii cu arc electric are la baz respectarea urmtoarelor condiii: - meninerea arcului electric ntr-o stare staionar astfel nct intensitatea curentului IS i tensiunea arcului Ua (fig. 2.1) s aib valori ct mai constante; - aportul continuu cu viteza ve a materialului de adaos 1 n arcul electric, arc care arde ntre vergeaua electrod i componentele de sudat 2; - deplasarea arcului electric n lungul rostului ntre componentele de sudat, cu vitez constant - numit vitez de sudare, vS. n acest fel se realizeaz topirea marginilor formnd mpreun cu materialul de adaos o baie de sudura 3;

Fig. 2.1.

- urmrirea rostului i umplerea lui uniform astfel ca dup solidificarea bii s se realizeze un cordon continuu i cu dimensiuni geometrice impuse. Se poate face o clasificare a procedeelor de sudare cu arc n funcie de gradul n care sudorul particip la realizarea acestor operaii: - sudare manual - cnd sudorul execut toate operaiile manual; - sudare semimecanizat - cnd sudura se execut manual cu excepia alimentrii cu srm electrod a procesului de sudare; - sudare mecanizat - cnd toate operaiile de sudare se execut mecanizat, ns nu exist circuit de reacie (feed back), sudorul trebuind s supravegheze continuu procesul, intervenind i reglnd parametrii de lucru, funcie de modul de desfurare al acestuia; - sudare automat n care instalaia este prevzut cu circuit de reacie, astfel nct ea7

autoregleaz parametrii regimului de sudare i poziia relativ a elementelor metal de adaos i metal de baz, asigurnd stabilitatea procesului. Sudorul intervine doar atunci cnd se defecteaz elementele instalaiei de sudare, sau se impune realimentarea cu materiale de sudare. Clasificarea procedeelor de sudare cu arc electric poate fi fcut i n funcie de modul de protecie a bii de sudur. Baia de sudur trebuie protejat fa de aerul din mediul nconjurtor. Oxigenul din aer are ca efect modificarea compoziiei chimice a aliajelor metalice, oxidnd elementele de aliere n ordinea afinitii lor fa de acest element. Oxizii rezultai au ca efect reducerea rezistenei i a plasticitii mbinrii sudate. Azotul din aer formeaz nitruri dure i casante producnd tendine de rupere fragil, precum i de apariie a porilor. Influene defavorabile au i alte gaze coninute n aer, dintre care i hidrogenul, care contribuit la fragilizarea oelului. Protecia bii de sudur precum i a cordonului de sudur se realizeaz fie cu ajutorul unui nveli aplicat pe srma electrod, fie cu un flux ce acoper arcul electric, fie cu gaz sau amestec de gaze insuflate continuu n jurul arcului electric i a bii de sudur. Un alt punct de vedere al clasificrii procedeelor de sudare cu arc electric l constituie modul de participare al electrodului la formarea bii. Arcul electric arde ntre un electrod de seciune circular i componentele de sudat. Electrodul poate fi fuzibil n condiiile n care se topete n procesul de sudare, furniznd materialul de adaos, material ce particip ca material depus n formarea cordonului. Electrodul poate fi nefuzibil cnd el nu particip la formarea custurii, el servind ca element ntre care se realizeaz arcul electric. Electrozii nefuzibili sunt cei de wolfram (tungsten) sau de crbune. Electrozii de crbune au o pondere tot mai mic n realizarea procedeelor de sudare cu arc electric datorit durabilitii lor reduse. Elementele geometrice ale unei mbinri sudate sunt cordonul de sudur i zona influenat termic (termomecanic). Cordonul de sudur (fig. 2.2) este partea mbinrii care leag componentele de sudat i care se formeaz prin solidificarea bii de sudur. Zona influenat termic (ZIT) este zona de trecere dintre cordonul de sudur i materialul de baz.

Fig. 2.2.

Cordonul de sudur este format de obicei din dou straturi: stratul de rdcin 1 i stratul de completare 2 (fig. 2.3). Att stratul de rdcin ct i cel de completare pot fi realizat din mai multe treceri. n figura 2.3. stratul de completare 2 este realizat din trecerile8

a, b, c, d etc.

Fig. 2.3.

Dimensiunile cordonului i ale zonei influenate termic sunt date prin urmtoarele mrimi geometrice (fig.2.4). - b - limea custurii; - B - limea ZIT; - p - ptrunderea custurii; - P - ptrunderea ZIT.

Fig. 2.4.

La formarea cordonului de sudur particip materialul de baz al componentelor de sudat, precum i materialul depus. Materialul depus provine din materialul de adaos, materialul srmei electrod, suferind transformrile de natur chimic, mecano-metalurgic ca urmare a trecerii prin arcul electric. Referindu-ne la figura 3.2 aria cordonului se poate scrie ca o sum dintre aria ' rostului i ariile A '2 i A '2 provenite din topirea marginilor materialului de baz.' A = A 1 + A '2 + A '2 ; ' A 2 = A '2 + A '2

(2.1)

Participaia materialului de baz i a materialului de adaos la realizarea cordonului de sudur este dat de expresiile: A A (2.2) pMB = 2 ; pMA = 1 A A Participaia pMB mai poart denumirea i de diluia materialului de baz n cordon. ntre cele dou participaii exist relaia: pMB + pMA = 1 (2.3)

Cunoaterea acestor participaiei are ca rezultat determinarea compoziiei chimice a materialului cordonului de sudur precum i stabilirea eficienei procesului de sudare. Dac se cunosc compoziiile chimice ale metalului de baz i ale metalului de adaos9

precum i randamentul de trecere a elementelor de aliere din materialul de baz n baia de metal topit MB i a materialului de adaos prin arcul electric n baia de metal topit MA, atunci n cordon un element de aliere XC va avea concentraia: X C = (pMB MB XMB + pMA MA XMA ) p (2.4)n care XMB i XMA sunt concentraiile respectivului element de aliere n materialul de baz, respectiv n materialul de adaos. Randamentul p este randamentul aferent materialului de protecie al arcului electric. Uneori p >1 cnd din nveliul electrodului sau din stratul de flux se introduc n baia de metal topit elemente de formare sau aliere (pulbere de fier sau elemente de aliere) care mresc cantitatea de metal depus. Procednd astfel pentru toate elementele de aliere se poate estima aproximativ compoziia chimic a cordonului. Al doilea obiectiv al cunoaterii participaiilor materialului de baz i materialului de adaos l constituie stabilirea eficienei procesului de sudare. n cazul n care prin sudare se realizeaz o mbinare ntre dou sau mai multe elemente, atunci este raional ca participaia materialului de baz s fie ct mai mare n dauna participaiei materialului de adaos. Prin aceasta se asigur o omogeneitate a mbinrii i de asemenea se economisete o cantitate important de material de adaos i energie. n consecin n cazul cordoanelor de mbinare ntre elementele unor structuri sudate se tinde spre inegalitatea: pMB >> pMA (2.5) Forma rostului mbinrii influeneaz esenial participaiile (tabel 2.1).Tabel 2.1 Rost pMA pMB I 0,5 0,5 V 0,7 0,3 U 0,8...0,9 0,2...0,1 X 0,6 0,4 K 0,55 0,45

Cnd prin sudare se realizeaz ncrcarea unor suprafee sau acoperirea acestora, n scopul asigurrii rezistenei la uzur, coroziune, oc a respectivei structuri, atunci este raional ca participarea materialului de adaos s fie mai mare dect a materialului de baz. Participarea materialului de baz fiind att ct este necesar pentru realizarea legturii mecano-metalurgice dintre suprafeele structurii i a materialului depus. n consecin la sudurile de ncrcare sau de acoperire este raional s se ndeplineasc inegalitatea: pMA >> pMB (2.6) Dup cum se cunoate de la Bazele proceselor de sudare zona influenat termic ZIT (zona influenat termomecanic) este zona din mbinarea sudat cuprins ntre izotermele T=Tt corespunztoare marginii cordonului i T=Ts, corespunztoare izotermei la care sau mai produs nc transformri structurale. Zona influenat termic este o zon n10

care compoziia chimic nu s-a modificat fa de cea a materialului de baz, ns structura ei este diferit i variabil. Aceast structur se datorete faptului c temperatura n urma procesului de sudare din aceast zon variaz dup curba 1-2 (fig. 2.5).

Fig. 2.5.

Limea zonei influenate termic depinde de procedeul de sudare precum i de parametrii regimului de sudare, acetia intervenind prin cantitatea de cldur generat i administrat acestei zone din mbinare. Structurile diferite pe limea zonei se datoresc i vitezelor diferite de rcire. Viteza de rcire a punctului 1 este mult mai mare dect viteza de rcire a punctului 2. Neomogenitatea termic pe limea ZIT, respectiv temperaturile diferite de nclzire precum i vitezele diferite de rcire, atrag dup sine neomogeniti de natur structural i ale caracteristicilor mecanice. Astfel pentru oelurile carbon i slab aliate:11

- pornind de la T=Tt pn la T=Ts vor apare transformri structurale diferite. Zona ZIT este structural eterogen; - lng cordonul de sudur grunii cristalini vor avea dimensiuni mai mari ca urmare a temperaturilor ridicate ce le-au dat posibilitatea de a se dezvolta. La temperaturile mai sczute ale ZIT dimensiunile grunilor vor fi mai reduse, specifice structurii de normalizare; - structurile din apropierea cordonului de sudur vor fi structuri ndeprtate de cele de echilibru, iar structurile din vecintatea materialului de baz, neafectat termic, vor fi structural apropiate de cele de echilibru; - structurile deprtate de cele de echilibru cu gruni mari, au rezisten mecanic mare i plasticitate redus, iar grunii fini, specifici structurilor de echilibru au rezisten mic i plasticitate mare (fig. 2.5). Ca atare, cordonul de sudur i ZIT sunt nu numai zone de neomogenitate chimic i structural ci i de neomogenitate a caracteristicilor mecanice. Datorit acestor particulariti ale ZIT, ea constituie zona cea mai sensibil a mbinrii sudate. Poziiile de sudare la sudarea cu arc electric sunt prezentate n figura 2.6. Considernd pentru un cordon axa Y - axa n lungul cordonului i axa X perpendicular pe suprafaa liber a cordonului (fig. 2.6) distingem urmtoarele poziii de sudare: 1. poziie orizontal n plan orizontal; 2. poziie orizontal n plan nclinat; 3. poziie orizontal n plan vertical (de corni); 4. poziie orizontal de plafon; 5. poziie nclinat; 6. poziie nclinat n plan nclinat; 7. poziie nclinat n plan vertical; 8. poziie nclinat de plafon; 9. poziie vertical.

Fig. 2.6.12

Ordinea preferenial a poziiilor de sudare din punct de vedere tehnic i ergonomie este: 1, 2, 5, 6, 7, 9, 8, 4. Rolul dispozitivelor i instalaiilor de mecanizare ale sudrii const i n aceea de a aduce rosturile de sudur ntr-o poziie ct mai apropiat de a primelor poziii din ordinea preferenial asigurndu-se astfel calitatea corespunztoare mbinrii precum i un efort minim din partea operatorului. Stabilitatea mecanic a arcului electric este de fapt denumirea care se d interaciunii dintre fora electrodinamic (Fed) i fora electrostatic (Fes) fora lui Coulomb (fig. 2.7).

Fig. 2.7.

Electronii ce parcurg coloana arcului materializeaz conductori strbtui de curent electric. ntre doi conductori, aflai ntr-un mediu cu permeabilitatea magnetic , strbtui de curentul i, n acelai sens, aflai la distana r i avnd lungimea l se exercit fora de atracie electrodinamic: i2 l (2.7) Fed = 2 r Totodat, ntre sarcinile de acelai semn, adic ntre electronii negativi aflai n mediu cu permitivitatea electric , apar fore electrostatice de respingere de tip coulombian: 1 e2 Fes = (2.8) 4 r2Forma arcului electric este dat de echilibrul dintre cele dou fore. Dac n arcul electric electronii sunt muli (datorit intensitii mari a curentului electric) i au vitez mic (datorit tensiunii mici a arcului electric) atunci Fed>Fes, arcul electric devine constrns, concentrnd magnetic sarcina electric i asigurnd o ptrundere mai mare n materialul de baz legat la polul pozitiv. (fig. 2.8a).

13

Fig. 2.8.

Dac n arcul electric electronii sunt puini (datorit intensitii mici a curentului electric) i au vitez mare (datorit tensiunii mari a arcului electric) atunci Fes>Fed, arcul electric devine disipat, (arc butoi), diametrul arcului crete, limea cordonului crete iar ptrunderea n materialul de baz, legat la polul pozitiv, scade (fig. 2.8b). Suflajul magnetic al arcului electric (suflul arcului) este fenomenul electromagnetic de deviere a coloanei arcului sub aciunea forelor electromagnetice din zona procesului de sudare. Arcul electric materializeaz un conductor strbtut de curent electric. Acest conductor, aflat n cmp magnetic staionar, la sudarea n curent continuu, este supus forei electromagnetice. n jurul componentelor de sudat i a electrodului apar linii de cmp magnetic care se pot aduna sau scdea, exercitnd presiune magnetic asupra arcului electric. Astfel (fig. 2.9a) dac se sudeaz cu polul pozitiv legat la piesa de mas, plasat n partea stng a componentelor de sudat, atunci n jurul pieselor apare inducia magnetic B1 i n jurul electrodului inducia magnetic B2. Cele dou cmpuri magnetice se vor compune. Sub aciunea nsumat a induciilor B1 i B2 arcul va fi deviat spre dreapta.

Fig. 2.9.14

Folosind aceeai interpretare, dar schimbnd polaritatea curentului i poziia piesei de mas se constat c arcul electric va fi deviat n sens contrar piesei de mas. Schimbarea sensului intensitii curentului electric nu modific sensul forei electromagnetice de suflaj al arcului (fig. 2.9 b, c, d). Suflajul magnetic al arcului electric este un fenomen fizic de obicei nedorit datorit orientrii mai pregnante a arcului electric asupra unei componente de sudat, realiznd abateri ale cordonului de la forma rostului. Suflajul magnetic se elimin prin folosirea curentului alternativ la sudare, la care induciile magnetice nu-i mai pstreaz sensul. Suflajul poate fi redus substanial prin folosirea a dou piese de mas plasate n planul srmei electrod de o parte i de alta a acestuia. Prin simetrizarea alimentrii curentului de sudare dispare fenomenul de suflaj magnetic (fig. 2.10).

Fig. 2.10.

Craterul este un fenomen particular care degradeaz forma mbinrii i care se produce la ntreruperea curentului de sudare (accidental sau voit). Datorit fenomenului de autoinducie, metalul lichid din baia de metal topit este aspirat formndu-se la ntreruperea curentului un crater la captul cordonului de sudur.

Fig. 2.11.

Acest crater are dezavantajul major al reducerii rezistenei la oboseal a mbinrii sudate. Pentru evitarea craterului arcul electric nu se va stinge la captul cordonului (n poziia A) ci la o distan de 20...30 mm de captul cordonului (n poziia B) (fig. 2.11). Aprinderea arcului electric, pentru continuarea cordonului de sudur, se va face n poziia B15

a electrodului, arcul va fi adus apoi n poziia A i procesul va fi continuat. Se evit astfel creterea ptrunderii n zona craterului i coeficientul de concentrare a tensiunilor se micoreaz. Forma rostului la sudarea componentelor cu arcul electric este dictat de urmtorii factori. 1. Cel mai important factor l constituie capacitatea portant a mbinrii, respectiv transmiterea fluxului de for prin mbinarea sudat de la o component la alta. Dac fluxul de for este transmis static mbinarea poate fi realizat cu ptrundere mai redus, uneori chiar incomplet astfel nct, sub aspectul calibrului mbinrii, ea s reziste solicitrilor exterioare. n cazul n care mbinarea este solicitat dinamic, cu ocuri sau funcioneaz la temperaturi sczute, este necesar o ptrundere complet pentru a se evita concentratorii de tensiune n zona cordonului de sudur sau a se diminua acetia; 2. Rostul este impus i de procedeul de sudare. Cu ct procedeul de sudare confer custurii o ptrundere mai mare cu att rostul trebuie s fie mai ngust i mai puin deschis; 3. Poziia de sudare influeneaz forma rostului. n condiiile unor tendine de curgere gravitaional a bii de sudur este posibil s se aleag rosturi ct mai mici pentru ca baia de sudur s fie mai puin bogat, iar arcul electric prin efectul presiunii dinamice i prin constrngerea lui n cmpul de fore proprii s evite tendina de curgere a bii; 4. Rostul trebuie ales i n funcie de accesibilitatea arcului electric n rost pentru a avea posibilitatea topirii marginilor componentelor i de a asigura o baie comun, deci o bun legtur ntre elementele asamblate prin cordon; 5. La alegerea rostului trebuie avut n vedere i posibilitatea de susinere a bii la rdcina custurii n timpul sudrii pentru evitarea curgerii gravitaionale a bii. Susinerea rdcinii custurii se poate face: - cu benzi de metal de acelai fel cu materialul de baz sudate la rdcin; - cu plci de cupru, cu sau fr rcire forat, plasate la rdcina rostului; - cu pern de flux presat asupra rdcinii rostului; - cu benzi lipite din componente adezive, n interiorul benzilor aflndu-se un flux ntr-un liant; - cu patin de cupru rcit n prealabil i care urmrete arcul de sudare n condiiile sudrii stratului de rdcin; - cu patin ceramic care, de obicei, nu se rcete asigurnd formarea i reinerea materialului depus la rdcina rostului mbinrii; 6. Sub aspect economic este necesar ca seciunea rostului s fie ct mai mic reducndu-se consumul de material de adaos i de material de baz. Se reduce i volumul prelucrrilor ce au contribuit la formarea rostului. Realizarea rostului se face prin mai multe procedee: a) debitare mecanic prin forfecare(cel mai ieftin procedeu); b) tiere termic (cel mai rspndit procedeu dar limitat din punct de vedere al geometriei16

rostului). Se poate face cu flacra oxigaz sau cu jet de plasm; c) prelucrare mecanic prin achiere (cel mai scump procedeu dar permite formarea oricrei geometrii a rostului); 7. La alegerea rostului se are n vedere i deformaia pieselor sudate. Deformaia este redus atunci cnd seciunea rostului este mic, cnd baia de metal topit este redus volumic i cnd se sudeaz cu pendulare, deci cu balansarea arcului electric n raport cu componentele de sudat; 8. Factorul determinant n alegerea rostului este grosimea componentelor. Principalele tipuri de rosturi sunt rosturi cap la cap i de col. Rosturile cap la cap pot fi: rosturi simple i rosturi duble. n figura 2.12 se prezint i limitele de grosimi la care se aplic uzual aceste tipuri de rosturi. Rosturile la mbinrile de col sunt rosturi corespunztoare mbinrilor n T, prin suprapunere sau n guri.

Fig. 2.12.

Rosturile la mbinrile de col n T (fig. 2.13) pot fi cu prelucrare unilateral (a) i bilateral (b),sau fr prelucrarea rostului (c). n figura 2.13 (d, e, f) se prezint i alte variante ale sudrii de col n T.

Fig. 2.13.17

Cordoanele de sudur la mbinrile sudate de col prin suprapunere pot fi cordoane frontale (fig.2.14a) sau cordoane laterale (fig.2.14b).

Fig. 2.14.

n cazul n care capacitatea portant a cordoanelor exterioare mbinrii este insuficient, n una din componente se pot practica guri, urmnd s se realizeze mbinarea sudat n guri (fig.2.15).

Fig. 2.15.

2.2. Polaritatea curentului electricLa sudarea cu arc electric polaritatea curentului este de mare importan privind cantitatea de cldur administrat materialului de baz sau electrodului (fig. 2.16).

Fig. 2.16.

Electronii provenii din cele trei tipuri de emisie electronic sunt mai uori dect ionii pozitivi, dar viteza lor de deplasare este foarte mare, aproximativ 100 m/s. Ca atare, acetia bombardeaz anodul, crend impactul loviturii, energetic cauznd n felul acesta18

temperaturi ridicate la polul pozitiv. Deci, atunci cnd se sudeaz n varianta DC , adic electrodul este legat la polul negativ iar materialul de baz la polul pozitiv (polaritate direct), datorit impactului materialului de baz cu electronii, baia de metal topit va fi mai bogat iar temperatura electrodului va fi mai redus. + n cazul n care electrodul se leag la polul pozitiv, se sudeaz n varianta DC (polaritate invers), atunci electronii cu vitez mare bombardeaz electrodul realiznd o topire mai pronunat a acestuia; baia de metal topit din materialul de baz este mai redus dimensional iar temperatura acesteia mai sczut. Ca atare, cnd electrodul este confecionat din material refractar, practic nefuzibil, este preferabil ca acesta s fie legat la polul negativ astfel nct bombardamentul electronic s fie evitat, iar consumul de material refractar pentru realizarea electrodului s fie mai mic. Este cazul sudrii cu electrozi de wolfram (tungsten) La sudarea cu electrod ce constituie material de adaos se prefer ca acesta c fie legat fie la polaritatea pozitiv, cnd dorim un exces de material depus, fie la polaritatea negativ atunci cnd dorim o topire mai pronunat a materialului de baz (o ptrundere mai bun). n cazul polaritii DC+ rolul ionilor pozitivi ce se deplaseaz cu viteza de aproximativ 1 ... 2 m/s este deosebit de important n ceea ce privete curirea de oxizi a bii metalice de pe materialul de baz. Dac ionii pozitivi sunt grei (ioni de argon) atunci ei realizeaz un efect de impact asupra oxizilor de la suprafaa bii, fenomen ce se numete microsablare, asigurnd astfel obinerea unei bi de sudur curate. Dac ionii pozitivi sunt uori (ioni de heliu) atunci fenomenul de rupere a peliculei de oxid este ngreunat. Un fenomen important de microsablare se obine atunci cnd se sudeaz n curent alternativ. Ca urmare a schimbrii frecvente a polaritii are loc fenomenul de rupere a peliculei de oxid i realizrii unui cordon de sudur n condiii bune de calitate.

-

2.3. Recomandri la realizarea sudurilor [3]n baza experienei de proiectare i tehnologic la realizarea construciilor sudate se pot stabili urmtoarele recomandri: 1. La realizarea unei structuri sudate se va folosi un numr ct mai mic de cordoane de sudur. Ori de cte ori este posibil se va reduce numrul sudurilor unei structuri; 2. Sudurile ntrerupte se vor evita n raport cu sudurile continue, mbinrile de rezisten necesitnd suduri continue. Sudurile ntrerupte se realizeaz de obicei pentru rigidizri (punctri), prindere provizorie etc. Transformarea mai multor suduri scurte n una lung este binevenit fiindc realizeaz posibilitatea mecanizrii operaiei de sudare i reduce concentratorii de tensiune. La sudurile ntrerupte exist pericolul coroziunii ntre elementele mbinate. Ca atare, este mai bine a se realiza un cordon de calibru redus i lungime mai mare dect un cardon de calibru mare i lungime redus. 3. Se vor evita sudurile n cruce pentru c ele sunt mari concentratoare de19

tensiuni interne i creeaz stri de solicitare bi i triaxial, deci au o tendin pronunat spre fisurare i fragilizare. 4. La realizarea custurii cap la cap sau de col supranlarea acestora va fi ct mai mic posibil pentru c odat cu creterea supranlrii crete coeficientul de concentrare al tensiunilor, scade deci rezistena la solicitri variabile. La aceasta se mai adaug i creterea costului sudrii provocate de surplusul de material de adaos precum i deformaiile suplimentare ale mbinrii sudate. 5. Acolo unde este posibil se va nlocui rostul n form de V cu rost n form de I apelnd la procedee de sudare cu ptrundere adnc. De asemenea, se vor nlocui, cnd este posibil, rosturile duble prin rosturi simple, n forma jumtilor de rost. n felul acesta se reduce cantitatea de prelucrri mecanice sau termice pentru confecionarea rostului precum i cantitatea de metal depus. 6. Componentele de grosime mare (S>20...50 mm) este preferabil s se realizeze cu rosturi duble, acestea asigurnd o economie de material depus n raport cu rosturile simple la aceiai grosime. 7. La stabilirea procesului tehnologic de asamblare prin sudare, precum i la proiectarea unor structuri sudate se va avea n vedere ca realizarea acestora s se execute pe subansamble. Prin aceasta se obin urmtoarele avantaje: - mai muli lucrtori pot lucra simultan; - se obine un acces mai confortabil la regiunile unde se sudeaz; - deformaiile i tensiunile reziduale scad; - se pot aplica detensionri pe subansamble; - controlul mbinrii sudate este mult uurat. 8. La realizarea rigidizrilor prin gusee i diafragme nu este nevoie de multe suduri. Pot fi realizate custuri scurte i de seciune mic. 9. La realizarea unor mbinri sudate componentele trebuiesc pregtite n prealabil, uscate, periate sau polizate de rugin, degresate de uleiuri, ndeprtate impuritile, toate acestea ducnd la o calitate bun a sudurii. Se va avea n vedere faptul c lucrul bine fcut de la nceput este cel mai ieftin [3].

2.4. Transferul short-arc si transferul spray-arc.Dup modul cum se produce transferul masic n arcul electric de sudare distingem: - transfer cu arc scurt sau short-arc; - transfer cu arc lung sau spray-arc. La sudarea short-arc dimensiunile picturilor sunt comparabile cu diametrul electrodului. Sudarea short-arc este de dou categorii: - sudare cu arc inecat; - sudare cu arc globular. La sudarea cu arc necat (fig. 2.17) periodic tensiunea arcului se anuleaz ca urmare a scurtcircuitrii coloanei arcului de masa de metal lichid provenit din materialul20

topit al electrodului. Arcul necat prezint fazele de formare a picturii, scurtcircuitarea coloanei arcului i desprinderea picturii. Transferul prin arc necat se produce atunci cnd viteza de avans a srmei electrod depete viteza de topire a acesteia.

Fig. 2.17.

La acest transfer arcul electric se reaprinde i se stinge (se neac) cu frecventa producerii scurtcircuitrii lui prin materialul topit al electrodului. Transferul short-arc cu arc necat se produce la valorile cele mai mici posibile ale intensitii curentului de sudare. Transferul short-arc globular, se caracterizeaz prin aceia c arcul electric nu se mai scurtcircuiteaz, picturile de material topit din electrod se insularizeaz, dimensiunile picturilor fiind comparabile cu diametrul electrodului (fig.2.18). Transferul globular are trei faze, constnd n formarea picturii, insularizarea picturii sau fracionarea coloanei arcului i depunerea picturii.

Fig. 2.18.

Trecerea de la transferul prin arc necat la transferul globular se realizeaz prin mrirea intensitii curentului electric de sudare. Acest lucru conduce la creterea forei electrodinamice Fed, (fig.2.18), a efectului Pinch i desprinderea mai uoar a picturii. Totodat crete i fora coulombian Fp care atrage mai energic metalul topit din vrful electrodului.

Fig. 2.19.

Transferul spray-arc are loc la intensitile cele mai mari ale curentului de sudare. Ca atare, forele electrodinamice i coulombiene au valori foarte mari conducnd la formarea i insularizarea simultan a mai multor picturi (fig.2.19). Micorarea picturilor se datorete i exploziei gazelor provenite sub forma de bule, n metalul lichid, din reacii chimice la nivelul picturii sau ca urmare a vaporizrii metalelor i aliajelor picturii. Un alt tip de transfer masic este transferul prin arc pulsant (fig.2.20). La acest transfer intensitatea curentului de sudare pulseaz ntre o intensitate minim, de baz,21

care s menin arcul electric i o intensitate maxim, de vrf, care s asigure o astfel de cantitate de cldur i asemenea fore n metalul topit astfel ca s produc desprinderea picturii. Are loc deci o deplasare ordonat (organizat) a picturilor prin arcul electric cu frecvena dictat de variaia intensitii curentului de sudare produs de sursa de sudare. Se asigura totodat i un control al dimensiunii picturilor i al temperaturii acestora. Aceste motive au fcut ca transferul cu arc pulsant s fie din ce n ce mai rspndit n construcia surselor de sudare i mult cerut de tehnologiile de sudare.

Fig. 2.20.

2.5. Clasificarea procedeelor de sudare cu arc electricn schema alturat se prezint procedeele posibile (nu ns toate aplicate) de sudare cu arc electric.

Fig. 2.2122

CAP. 3. ALGORITMUL DE CALCUL AL TEHNOLOGIEI DE SUDARE CU ARC ELECTRIC

3.1. Parametrii tehnologici la sudarea cu arc electricTehnologia este factorul principal al oricrei activiti umane Tehnologia reprezint un ansamblu de informaii necesare pentru realizarea unei anumite categorii de construcii. n cazul construciilor (structurilor) sudate, tehnologia prezint modul cum trebuie s se acioneze pentru a satisface cerinele funcionale i de exploatare ale respectivei structuri. Acest capitol primar al tehnologiei de sudare prin topire se va referi n special la tehnologia sudrii cu arcul electric, aceasta fiind tehnologia cu cea mai rspndit n realizarea structurilor sudate. n capitolele care vor urma se vor prezenta tehnologii de sudare specifice diferitelor procedee, att din categoria celor cu arcul electric ct i din categoria celorlalte. Deci, n cazul sudrii cu arcul electric, tehnologia de sudare este determinat de o serie de mrimi, numite parametrii tehnologici de sudare. Ca atare, a elabora tehnologia de sudare, nseamn a determina valorile parametrilor tehnologici de sudare astfel nct s se obin o structur sudat n condiii de calitate, precizie dimensional, productivitate ridicat i cost de producie minim. La elaborarea tehnologiei de sudare cu arcul electric se are n vedere trei categorii de parametri tehnologici de sudare: primari, se secundari i teriari. a. Parametrii tehnologici primari Aceti parametri sunt urmtorii: - Intensitatea curentului de sudare este definit drept intensitatea curentului electric ce trece prin arcul electric ntre electrod i materialul de baz n timpul sudrii (IS); - Tensiunea arcului, este definit drept tensiunea electric ntre electrod i materialul de baz, respectiv tensiunea coloanei arcului(Ua); - Viteza de sudare, reprezint viteza de deplasare a arcului electric n lungul rostului dintre elementele de sudat (vS); - Energia liniar, reprezint energia electric administrat procesului de sudare pe unitatea de lungime a cordonului (EL) , ea fiind stabilit prin relaia: I U EL = S a (3.1) vS Parametrii tehnologici primari influeneaz dimensiunile cordonului i ale zonei influenate termomecanic, precum i stabilitatea arcului i rata depunerii. Ptrunderea crete liniar cu creterea curentului de sudare, crete cu un maxim funcie de tensiunea arcului i scade odat cu creterea vitezei de sudare (fig. 3.1).

23

Fig. 3.1. Limea cordonului b crete liniar cu tensiunea arcului crete cu un maxim n raport cu intensitatea curentului i scade n raport cu viteza de sudare (fig. 3.2.).

Fig. 3.2. Supranlarea cordonului a scade odat cu creterea vitezei de sudare i crete cu creterea curentului de sudare (fig. 3.3).

Fig. 3.3. Analiznd principial lucrurile,n anumite limite valorice, observm c intensitatea curentului influeneaz n sensul creterii tuturor dimensiunilor cordonului. n schimb, viteza de sudare influeneaz n sensul scderii tuturor dimensiunilor cordonului de sudur. b. Parametrii tehnologici secundari Aceti parametri sunt urmtorii (fig.3.4): - Lungimea arcului (La) este distana de la captul electrodului pn la baia de sudur;24

- Lungimea liber (Ll) este distana de la contactul electric al electrodului (srmei) pn la captul electrodului ce poart arcul electric, sau, altfel spus, este distana de la piesa de contact a srmei electrod pn la arcul electric; - Viteza materialului de adaos (Va) este viteza cu care avanseaz electrodul n baia de sudur; - Poziia electrodului este poziia definit prin unghiurile de poziie ale electrodului n raport cu componentele de sudat. Parametrii tehnologici secundari nu influeneaz direct dimensiunile custurii. Dimensiunile custurii pot fi ns influenate de acetia doar prin intermediul parametrilor tehnologi primari. Lungimea arcului, La, influeneaz n primul rnd asupra transferului de material prin arcul electric. Dac lungimea arcului este mic, apropiat de zero, transferul este short-arc (sha). Dac lungimea arcului crete, atunci transferul este spray-arc (spa). Transferul short i spray este n funcie evident i de mrimea curentului de sudare. Se spune c dac: - La < de - se sudeaz cu arc scurt; - La = de - se sudeaz cu are normal; - La > de - se sudeaz eu arc lung. Lungimea liber (Ll) influeneaz prin rezistena electric a electrodului pe care o introduce n circuitul electric, ntre piesa de contact a srmei electrod i arcul electric. Rezistena electric a lungimii libere: Ll RL = e (3.2) d2 e 4 n care e este rezistivitatea materialului electrodului la temperatura de funcionare, influeneaz n primul rnd curentul de sudare, cu creterea lungimii libere, crete rezistena RL, n felul acesta, considernd UL constant, scade intensitatea curentului de sudare U IS = L (3.3) RL

Fig. 3.4. Odat cu creterea lungimii libere, crete cantitatea de cldur administrat procesului de sudare Cantitatea de cldur administrat suplimentar faa de arcul electric procesului de sudare prin efect Joule, n timpul t corespunztor trecerii srmei cu viteza ve prin zona lungimii libere este dat de:25

I2 LL L2 = e L 2 S (3.4) ve de v e 4 Se observ c odat cu creterea lungimii libere crete cantitatea de cldur, administrat procesului, srma ptrunde n arcul electric mai cald i, ca atare, crete rata depunerii AD (fig. 3.4). Ptrunderea p are o uoar cretere nesemnificativ cu lungimea liber. Poziia electrodului n raport cu piesele de sudat poate fi definit fa de un sistem de referin plan orizontal - plan vertical sau n raport cu un sistem de referin solidar cu piesele de sudat. n raport cu un sistem de referin plan vertical (fig.3.5) electrodul este poziionat la unghiul .2 Q = RL IS t = RL IS

Fig. 3.5. Unghiul se ia n funcie de poziia de sudare astfel nct s se asigure autosusinerea bii de metal topit n condiiile n care aceasta nu este susinut artificial. Poziia electrodului n raport cu axa longitudinal c - c a rostului este definit de unghiul , unghiul axei electrodului n raport cu normala la rost, msurat n planul de deplasare a electrodului corespunztor vitezei de sudare vS.

Fig. 3.6.26

Unghiul este negativ atunci cnd, vectorul ve face n raport cu vectorul vS un unghi mai mare dect 90. Unghiul este pozitiv atunci cnd vectorul ve face n raport cu vectorul vS, avnd ca origine centrul arcului electric, un unghi mai mic dect 90. Se consider, n aceast convenie, c viteza vS este administrat pieselor de sudat. Semnul unghiului este deosebit de important n ceea ce privete dimensiunile cordonului de sudur. Dac este negativ (fig. 3.6) atunci arcul electric prenclzete anterior materialul de baz. Ca atare, ptrunderea crete, supranlarea cordonului crete, n schimb limea acestuia este mai redus. Dac unghiul este pozitiv, atunci la deplasarea relativ electrod - metal de baz, arcul electric gsete zone reci ale metalului de baz, ca atare, cantitatea de cldur administrat de arcul electric nu poate asigura o ptrundere prea mare, i deci limea cordonului este crescut. Aceiai cantitate de material ce provine din srma electrod, deplasndu-se cu vitez constant nemaiputnd n continuare s supranale cordonul l lete. c. Parametrii tehnologici teriari Aceti parametri sunt urmtorii: - Diametrul electrodului (de); - Tipul electrodului (electrod nvelit, srm electrod, electrod nefuzibil etc); - Genul proteciei arcului electric (prin nveliul electrodului, prin flux sau prin gaz de protecie) i tipul proteciei n cadrul genului ales; - - Nivelul proteciei (grosimea nveliului, debitul de gaz de protecie). Cu ct lungimea arcului La este mai mic, protecia este mai bun; - - Natura i polaritatea curentului de sudare; - Numrul de treceri (nt); - Aezarea trecerilor n rost. Se observ c parametrii tehnologici teriari variaz n trepte, ei n general nu pot fi modificai n timpul procesului de sudare. Parametrii acetia influeneaz att procesul de sudare ct, mai ales rezultatul su, sudura. Parametrii tehnologici teriari sunt specifici diferitelor procedee de sudare, de aceea ei trebuiesc tratai n concordan cu procedeul de sudare analizat.

3.2. Aria rostului, a cordonului i a trecerilorCordonul de sudur este efectul solidificrii bii de sudur. Baia se formeaz prin topirea i amestecarea intim a materialului de adaos care a trecut prin arcul electric i a materialului de baz. Ca atare, aria cordonului este mai mare dect aria rostului, relaia dintre acestea este: A C = (11K1 4 ) A r , , (3.5) Coeficientul este cu att mai mare cu ct grosimea componentelor de sudat este mai redus. Acest coeficient ine seama de supranlarea cordoanelor de sudur pe suprafaa de sudare i la rdcin, precum i de particularitile metalului de baz la realizarea cordonului. Rostul unei mbinri sudate se stabilete conform standardului pentru procedeul de sudare ales sau se stabilete de proiectant n condiiile unor rosturi speciale n funcie de procedeul de sudare, de grosimea componentelor, de metalul de baz folosit la realizarea structurii sudate, de poziia n care se sudeaz i de forma mbinrii. Un calcul mai exact al ariei cordonului de sudur poate fi realizat apelnd la relaiile27

din tabelul 3.1. Pentru alte tipuri de mbinri, n afara celor din tabel pot fi calculate ariile corespunztoare ale cordonului de sudur. La grosimi mai mari ale elementelor de mbinat sudurile se realizeaz din mai multe treceri succesive. Notnd numrul trecerilor cu nt i aria unei treceri cuTabel 3.1. Relaiile ariei cordonului n procesului de sudare cu arc electric

Rost

Grosimea componentelor [mm]S 6(10 )

Aria de calcul a cordonului

AC = S n +

2 ba 3

S 10(16 )

AC = S n +

2 2 b1 a1 + b 2 a 2 3 3

a 0,7 S

AC =

k2 + a1 k 2

a 0,7 S

A C = a2 +

a a1 2

5 S 20

A C = S n + (S p )2 tg

2 + ba 2 3

5 S 20

AC = S n +

(S p)2 tg + 2 b a2 2 3

28

S 20

2 A C = S n + m1 tg

1 + m 2 tg 2 + 2 2 2

+

2 2 b1 a1 + b 2 a 2 3 3

AC = S n +S 15

r2 + (S p r )2 tg + 2 2 2 + 2 (S p r ) r + b a 3

Ati rezult aria cordonului:A c = A tii =1 nt

(3.6)

Este evident c sub aspect economic sudarea eu arcul electric trebuie fcut cu un numr nt minim, respectiv cu arii ale trecerilor ct mai mari posibile. ns, sunt oeluri i aliaje metalice la care nclzirea excesiv trebuie limitat, pentru a nu li se nruti proprietile fizice-mecano-metalurgice. Din acest punct de vedere va trebui ca s sporim numrul trecerilor i s micorm aria unei treceri. La oelurile tratate termic (normalizate, oelurile clite i revenite) la oelurile inoxidabile i la fonte sudarea se face printr-un numr de treceri ct mai mare (respectiv prin arii ale trecerilor ct mai mici, pentru a nu afecta structura metalului de baz n msur prea mare. n cazul n care componentele au grosime mic (s < 10 mm) sudura poate fi realizat dintr-o singur trecere, avnd n vedere posibilitatea i necesitatea susinerii rdcinii. n cazul n care componentele au grosime mai mare, se va prevedea de regul un strat de rdcin i mai multe straturi de completare. Este preferabil ca straturile de completare s aib arii egale. Trecerile cu arii egale dau i posibilitatea unui calcul mai uor al ariei cordonului. A c = A ti + (n t 1) A t (3.7) Trecerea de rdcin se realizeaz cu o arie mai mic iar trecerile de completare, dac nu pot fi realizate cu arii egale, din condiii tehnologice, atunci ariile vor fi progresiv cresctoare dinspre rdcina cordonului spre ultimul strat depus. La mbinrile de rezisten, dup realizarea stratului de rdcin i completarea rostului, pe partea opus sudrii se realizeaz creuirea i polizarea primului stras de rdcin depus i depunerea altor straturi. Stratul de rdcin este stratul cel mai susceptibil la defecte n urma procesului de sudare. De aceea, la sudarea bilateral stratul de rdcin de obicei se nltur parial sau total. Excepie face cazul cnd sudarea unilateral s-a realizat prin procedee speciale i s-a asigurat susinerea corect a bii de metal topit.

29

3.3. Etapele calculului tehnologiei de sudare eu arc electricRelund cele spuse n paragrafele anterioare algoritmul de calcul al tehnologiei de sudare a cuprins pn n prezent urmtoarele etape: a) S-a stabilit rostul componentelor de sudat n funcie de procedeul de sudare, de grosimea componentelor, de materialul de baz, de tipul mbinrii i de poziia de sudare; b) Rosturile standardizate, sau stabilite de proiectant n condiii speciale, trebuie umplute cu material depus. Cunoscnd rostul, se calculeaz aria rostului, conform celor artate la paragraful 3.2 sau direct aria cordonului; c) n funcie de aria cordonului i de materialul de baz se alege numrul de treceri. Seciunea trecerilor Ati rezult din aria cordonului i numrul de treceri adoptate conform celor prezentate n paragraful 3.2; d) n funcie de procedeul de sudare ales i grosimea componentelor se stabilete diametrul srmei electrod de. Acest parametru este esenial n calculul tehnologiei de sudare. Se poate lucra cu mai multe valori ale lui de, limitndu-se n final valorile obinute pentru parametrii procesului de sudare, n baza unor tehnologii extreme. e) Cunoscnd ariile pe fiecare trecere Ati precum i diametrul de al srmei electrod rezult coeficientul k dat de relaia: A ti (3.8) ki = d2 ei 4 f) Totodat se calculeaz parametrii procesului de sudare, intensitatea curentului i tensiunea arcului n funcie de diametrul srmei electrod; Folosind acest algoritm de calcul rezult mai multe tehnologii posibile, funcie de diverse procedee de sudare, diferite valori ale diametrului srmei electrod, diferite moduri de repartiie a seciunii cordonului de sudur, respectiv diferite numere de treceri. Optimizarea acestor tehnologii este posibil datorit existenei unor relaii pentru modelul matematic al procesului de sudare. Optimizarea trebuie avut n vedere prin prisma unor funcii obiectiv care s aleag alternativele tehnologiilor de sudare care satisfac condiiile tehnologice, ns s fie optime sub aspectul productivitii, costului, energiei consumate etc.

3.4. Coeficientul de depunere i randamentul depuneriiSe definete coeficientul de depunere ca fiind masa de metal depus raportat la intensitatea curentului i timpul de sudare: m di di = (3.9) ISi t i Coeficientul de depunere indic productivitatea unui procedeu de sudare n sensul c arat cantitatea de material depus la trecerea unitii de intensitate a curentului n unitatea de timp. Folosind noiunea de coeficient de depunere se poate calcula viteza de sudare: L v Si = i (3.10) ti Din coeficientul de depunere, relaia (3.9) se gsete timpul necesar unei treceri:

30

ti =

m di di ISi

(3.11)

Fig. 3.7. Masa materialului depus funcie de aria trecerii, lungimea trecerii i densitatea a materialului se calculeaz cu relaia: m di = A ti L i (3.12)

Ca atare, viteza de sudare, nlocuind expresiile (3.11) i (3.12) n expresia(3.9) rezult:v Si = di ISi A ti

(3.13)

Aceasta relaie da posibilitatea calculului vitezei de sudare cunoscnd coeficientul de depunere. Coeficienii de depunere, pentru sudarea otelului cu arcul electric sunt dai n tabelul 3.2.Tabel 3.2. Coeficienii de depunere di pentru sudarea oelului cu arcul electric. Procedeu Condiii de lucru 10 3 di (Kg/A.h) SE SF MG STG ST sha spa fpf cpf 5 ... 12 10 ... 18 16 ... 30 3 ... 8 9 ... 20 3 ... 25 3 ... 15

Randamentul depunerii (randamentul efectiv) este raportul dintre masa materialului depus i masa materialului topit, printr-un anumit procedeu, la o anumit trecere: m ti = di (3.14) m ti Aceasta are semnificaia randamentului trecerii metalului prin arcul electric. O parte din metalul trecut prin arcul electric se pierde sub form de stropi, prin oxidare, prin vaporizare etc, astfel nct se poate defini un coeficient de pierdere: m m di mpi i = 1 ti = ti = (3.15) m ti m ti n care m este masa materialului pierdut la trecerea i.31

n baza relaiei (3.14) se poate calcula i viteza de avans a srmei electrod: m di = ti m ti (3.16) Considernd aceiai densitate a materialului depus ct i a materialului topit rezult: A ti L i = A e L e ti (3.17) n care Le - este lungimea srmei electrod care particip la realizarea lungimii Li a cordonului de sudura la trecerea cu seciunea Ati. mprind relaia (3.17) la timpul de desfurare al procesului rezult: A ti v ei = A e v ei ti (3.18) n care vei este viteza de deplasare a materialului srmei electrod (MA), viteza de naintare a srmei electrod n baia de sudur. Aceasta vitez are expresia: 1 A ti v ei = v si (3.19) ti A e nlocuind relaia (3.13) n relaia (3.19) se determin viteza MA: I ISi v ei = di Si = di (3.20) ti A e ti d2 ei 4 Raportul dintre intensitatea curentului de sudare i aria srmei electrod poart denumirea de densitate de curent ji, astfel nct relaia (3.20) se va scrie: j (3.21) v ei = di i ti Randamentul depunerii la sudarea cu arcul electric, la principalele procedee, este dat n tabelul 3.3.Tabelul 3.3 Randamentul depunerii ti la sudarea cu arcul electric. Procedeul Condiii de lucru ti fpf 0,91 ... 0,96 SE cpf 1,1 ... 1,4 SF 0,98 ...0,995 sha 0,89 ... 0,93 spa 0,81 ... 0,91 STG 0,3 ... 0,45 ST 0,4 ... 0,52

Observaii: La ti pentru procedeele STG i ST s-au luat n calculul mti, masa tubului electrod i a miezului interior.

3.5. Consumul de materiale la sudareConsumul de material de adaos, de srma electrod, se estimeaz prin masa materialului ce urmeaz a fi topit.m t = m tii =1 nt

(3.22)32

Masa materialului topit la trecerea i se exprim n baza celor de mai nainte: m A L m ti = di = ti i (3.23) ti ti Aceasta relaie d expresia masei de srma electrod necesar pentru realizarea trecerii de seciune Ati i lungimea Li a cordonului de sudur. Uneori, se folosete n calcule masa pe metru de trecere, n condiiile n care lungimea trecerii este egal cu un metru, Li=1m: A (3.24) m'ti = ti ti Masa total de material de adaos provenit din vergeaua srmei electrod, n baza relaiilor (3.22) i (3.23) se scrie:mt = A ti L i ti i =1nt

(3.25)

Considernd trecerile de aceiai lungime i randamentul depunerii identic la fiecare trecere rezult:L Ac L nt A ti = mt = t i =1 t

(3.26)

Cu ajutorul acestei relaii, cunoscnd aria cordonului de sudur Ac, lungimea cordonului ce urmeaz a fi realizat L, precum i densitatea i randamentul depunerii t, se determin consumul de material de adaos. Pentru un metru de cordon de sudur cantitatea de material de adaos este: A (3.27) m't = c t Consumurile pentru celelalte materiale de sudare sunt specifice diferitelor procese de sudare. Ele vor fi analizate la capitolele n care vor fi tratate procesele de sudare cu arcul electric.

3.6. Timpul de sudare. Factorul operatorTimpul de sudare este timpul corespunztor trecerii arcului electric ntre componentele de sudat, n vederea realizrii cordonului de sudur; este deci durata, arderii arcului electric. Considernd elementele din paragrafele anterioare rezult pentru o trecere: L ti = i (3.28) v Si Timpul de sudare pentru realizarea unui cordon din nt treceri este:tS = ti = i =1 nt

Li i =1 v Si

nt

(3.29)

Definim factorul operator ca raportul dintre timpul de sudare i timpul total de execuie a cordonului de sudur, adic raportul dintre timpul arderii arcului electric i timpul de lucru al sudorului pentru efectuarea cordonului: t F.O. = S (3.30) TS33

Se evalueaz timpul consumat la realizarea structurii sudate avnd n vedere urmtoarele obiective: cunoaterea factorului operator determin gsirea mijloacelor pentru mrirea productivitii muncii i scderea consumului de energie i a costului sudrii; calculul manoperei pentru realizarea construciei sudate; calculul consumurilor de energie i materiale folosite la structurile sudate care urmeaz a fi executate. Totodat, factorul operator d imaginea nivelului de organizare a tehnologiei de producie, a gradului de mecanizare a proceselor de sudare, a modului de ntreinere a utilajului i echipamentelor de sudare, a eficienei muncii sudorului. Expresiile timpului total de lucru pentru realizarea unui cordon de sudura sunt date n tabelul 3.4 pentru diferite procedee de sudare.Tabelul 3.4. Expresiile TS la sudarea cu arcul electric[5]. Procedeu SE TS

t S (1 + t se ) + n t t cu + t ip + t o t ip t S + n t t cu + t ip + t o t ip t S + (n t 1) t ip + t o

SF STG, ST, MAG MIG, WIG, PL

( ) t S + n t (t cu + t ip ) + t o t ip

(

)

n care: tse este timpul de schimbare a electrozilor; tse = 20 ... 40 s; t1 - timpul topirii unui electrod nvelit de lungime normal n condiiile regimului de sudare din tabelul 4.2; t1=55 s pentru de=2 mm; t1=84 s pentru de=4 mm; t1=71 s pentru de=3,2 mm; t1=105 s pentru de=5 mm; tcu - timpul curirii suprafeei unei treceri; tcu=30 ... 200 s cu att mai mare cu ct diametrul electrodului este mai mare i nveliul este de natura bazic; tip - timpul de rcire a unei treceri pentru a se respecta temperatura ntre treceri; to - timpul operaiilor conexe sudrii. Mai este de menionat c factorul operator scade atunci cnd numrul trecerilor i viteza de sudare cresc i diametrul electrodului este mai redus. Factorul operator crete odat cu creterea lungimii cordoanelor de sudur. Factorul operator la diferite procedee de sudare are valoarea: SE - 25%; SF - 60%; WIG - 28%; MIG - 65%; MAG - 60%; PL - 35%; ST - 68%; STG - 62%; SBZ - 65%.

34

CAP.4. PRENCLZIREAn scopul asigurrii unor proprieti mbuntite cordonului de sudura, n special a evitrii constituenilor fragili, reducerea tensiunilor interne, precum i a defectelor ce pot aprea n urma procesului de sudare, fisuri, pori etc.), de o deosebit importan este temperatura la care se afla componentele naintea procesului de sudare. Dac acestea sunt sudate fr aport termic suplimentar, atunci temperatura iniiala a desfurrii procesului este temperatura mediului ambiant. Dac naintea operaiei de sudare componentele se nclzesc, atunci temperatura iniial de la care ncepe operaia de sudare poarta denumirea de temperatura de prenclzire. Att temperatura mediului ambiant ct i temperatura de prenclzire influeneaz caracteristicile mbinrii sudate i construciei sudate.

4.1. Scopul prenclziriin cazul n care componentele ce urmeaz a fi sudate au temperatura iniial egal cu temperatura mediului ambiant (T0), atunci, ciclul termic la sudare, constnd n nclzirea pieselor pn la temperatura maxim i apoi rcirea acestora pn la temperatura, din nou, a mediului ambiant, se prezint ca n figura 4.1, curba a. Dac piesele ce urmeaz a fi sudate sunt mai nti prenclzite, administrndu-li-se local sau integral o cantitate de cldura, atunci ciclul termic ncepe de la temperatura de prenclzire (Tpr), ajunge la temperatura maxim (Tmax pr) i apoi rcirea se desfoar conform curbei b din figura 4.1.

Fig. 4.1.

Comparnd cele doua cicluri termice, la sudarea fr prenclzire (curba a) i la sudarea cu prenclzire (curba b), se constat urmtoarele: - la sudarea cu prenclzire temperatura maxima este mai mare dect la sudarea fr prenclzire(Tmax pr > Tmax); - la sudarea cu prenclzire crete viteza de nclzire fa de sudarea fr prenclzire; - la sudarea cu prenclzire vitezele de rcire sunt mult mai mici dect la sudarea fr prenclzire; - cmpul termic al diferitelor puncte din zona cordonului de sudura tinde s se uniformizeze, respectiv variaiile de temperatur ale punctelor nvecinate, mai ales a celor din zona35

influenat termic, sunt mai reduse. De o deosebit importan n analiza cmpurilor termice este faptul c viteza de rcire la prenclzire este mai mic, ea putnd fi situat sub viteza critic de rcire. Ca urmare, se reduce pericolul apariiei constituenilor fragili n zona cordonului de sudur, respectiv pericolul apariiei fisurilor sau al altor defecte. Principalele efecte fizico-mecano-metalurgice ale prenclzirii n procesul sudrii sunt: - scderea vitezei de rcire face ca modificrile structurale din zona influenat termic s fie mai lente, deci mai apropiate de echilibru; ca urmare, structurile fragile din aceasta zona sunt mai diminuate cantitativ, zona influenat termic va avea duritate mai mic i o tendin de fisurare mai redus; - prin scderea vitezei de rcire se creeaz totodat condiii favorabile ieirii gazelor din metalul topit ca urmare a creterii fluiditii bii de sudur; se evit astfel defectele de tipul porilor ce apar n urma procesului de sudare, ns creterea fluiditii bii de sudur complic uneori sudarea de poziie; - uniformizarea relativ a cmpului termic dup procesul de sudare are ca efect micorarea tensiunilor remanente i a deformaiilor mbinrilor sudate cu asigurarea condiiilor de precizie dimensional a structurii; - creterea temperaturii maxime la sudarea cu prenclzire poate conduce la mrirea grunilor cristalini din regiunea supranclzit a zonei influenate termic; aceasta tendin este oarecum frnata de creterea vitezei de nclzire. Aceste efecte, n majoritatea lor benefice, li se adaug i o serie de efecte economice ale sudrii cu prenclzire i anume: - prin administrarea unei cantiti de cldur iniial componentelor de sudat cresc consumurile energetice la sudare i, ca atare, crete costul operaiei de sudare; - ca urmare a prenclzirii se consum o perioad de timp pentru aceasta operaie cu efecte privind scderea productivitii muncii la sudarea cu prenclzire; - condiiile ergonomice de lucru ale sudorului sunt ngreunate fiindc radiaiile termice produse de piesele prenclzite influeneaz asupra operatorului uman. Comparnd efectele fizico-mecano-metalurgice cu cele economice ajungem la concluzia c prenclzirea componentelor n vederea sudrii se va face numai atunci cnd aceasta este impus de asigurarea caracteristicilor mbinrii sudate, altfel prenclzirea trebuie s fie eliminat. De asemenea, temperatura de prenclzire trebuie aleas la valoarea cea mai redus posibil, deci ea va fi determinat dintr-un algoritm n care valoarea acestei temperaturi trebuie minimizat. Prenclzirea poate fi realizat integral sau local. Ea se realizeaz integral cnd ntreaga construcie sudat este nclzit la temperatura de prenclzire n cuptoare speciale sau de tratament termic. n cazul n care nu este posibil aceast variant, sau pentru economii energetice, atunci prenclzirea poate fi realizat i local. Prenclzirea local se face prin nclzirea i meninerea la temperatura de prenclzire a unei fii de o parte i de alta a cordonului egal cu 6...12 ori mai mare dect grosimea componentelor, dar aceste fii nu trebuie s fie mai mici de 70...80 mm.

4.2. Calculul temperaturii de prenclziren acest paragraf se prezint mai multe metode pentru calculul temperaturii de prenclzire. Toate metodele se refera la determinarea temperaturii de prenclzire la sudarea cu electrozi nvelii a oelurilor carbon i a otelurilor slab aliate.36

4.2.1. Metoda I.I.S. La calculul temperaturii de prenclzire prin metoda I.I.S. se pornete de la determinarea carbonului echivalent conform relaiei: Mn Ni Cr + Mo + V Si + + + (4.1) Ce = C + 20 15 5 4 n funcie de valoarea rezultat pentru carbonul echivalent, din tabelul 4.1, cunoscnd i tipul electrodului nvelit (tipul nveliului), se determin litera de sudabilitate Ls. Aceasta litera variaz ntre A....G. Se definete apoi severitatea termic St care se calculeaz n funcie de grosimea laminatelor S n mm i numrul cilor de transmitere a cldurii nr. Severitatea termic se determin cu relaia: n S (4.2) St = r 6Tabel 4.1. Ls A B C D E F G Ce [%] nveli bazic alte nveliuri 0,25 < 0,20 0,26...0,30 0,20...0,23 0,31...0,35 0,24...0,27 0,36...0,40 0,28...0,32 0,41...0,45 0,33...0,38 0,46...0,50 0,39...0,45 > 0,50 > 0,45

Numrul cilor de transmitere a cldurii (fig. 4.2) se stabilete n funcie de tipul cordonului avnd valorile ntre n = 2 pentru cordon cap la cap, nr = 3 pentru cordon de col n T i nr = 4 pentru cordon n cruce. Recomandrile Institutului Internaional de Sudur dau valoarea temperaturii de prenclzire n C n funcie de litera de sudabilitate Ls i severitatea termic St, precum i de diametrul de al electrodului, conform tabelului 4.2.

Fig. 4.2.37

Analiznd datele din tabelul 4.2 se pot face urmtoarele constatri: - cu creterea literei de sudabilitate, deci cu creterea procentului carbonului echivalent, la acelai diametru al electrodului, crete temperatura de prenclzire. Deci cu ct procentul elementelor de aliere dintr-un oel este mai mare cu att i temperatura de prenclzire trebuie s fie mai ridicat; - aceeai temperatur de prenclzire este necesar dac crete procentul carbonului echivalent i totodat dac crete diametrul electrodului. Creterea diametrului electrodului impune folosirea unei energii liniare mai mari pentru sudare. Ca atare, prin creterea energiei liniare la sudare putem reduce temperatura de prenclzire. Este o constatare care atrage dup sine efecte economice importante dup cum se va vedea n paragrafele urmtoare.Tabelul 4.2. Temperatura de prenclzire [C] Ls E F D E F C D E F B C D E F A B C D E F St 2 3,25 50 125 75 100 150 50 100 125 175 50 100 150 175 225 25 75 125 175 200 225 de [mm] 4 5 25 25 100 25 25 75 125 75 25 100 25 125 75 175 125 75 25 125 75 150 125 200 175 6 75 50 125 8 25 50 Ls A B C D E F A B C D E F A B C D E F St 3,25 75 125 150 200 225 250 75 125 175 200 225 250 75 125 175 200 225 250 4 25 75 125 175 200 225 25 75 150 175 200 250 25 75 150 175 200 250 de [mm] 5 25 75 125 175 200 50 125 175 200 225 50 125 175 200 225 6 75 100 150 50 125 150 200 25 75 125 175 200 8 50 125 25 100 150 200 25 100 150 200

3

12

4

16

6

24

8

4.2.2. Metoda Seferian.

Calculul temperaturii de prenclzire prin metoda Seferian se realizeaz conform relaiei: Tpr = 350 C e (1 + 0,005 S ) 0,25 (4.3) n care carbonul echivalent Ce se calculeaz conform relaiei (4.1), iar S este grosimea componentelor de sudat n mm. Dac radicalul din expresia (4.3) rezult imaginar se interpreteaz rezultatul n sensul c nu este necesar prenclzirea componentelor n vederea sudrii.

38

4.3. Corelaia statistic ntre temperatura de prenclzire i proprietile zonei influenate termic.Notnd carbonul echivalent Ce cu Pcm [5] atunci, n condiiile oelurilor carbon i slab aliate, duritatea maxim din ZIT are expresia: HM = 189 + 67 C + 507 Pcm (101 + 711 C 461 Pcm ) arctg x (4.4) n care s-a notat prin carbonul echivalent Pcm: Si Mn + Cu + Cr Ni Mo V Pcm = C + + + + + + 5B 30 20 60 15 10 i expresia parametrului X are forma: lg t 8 5 + 0,501 + 7,9 C 11,01 Pcm X= 0,543 + 0,55 C 0,76 Pcm (4.5)

(4.6)

Din teoria cmpurilor termice la sudarea cu arcul electric se poate determina corelaia statistic existent ntre timpul de rcire t8/5 i energia liniar de sudare, dat prin expresia: 900 (710 4 Tpr + 0,94 ) (4.7) t8 5 = EL 600 Tpr 1,2

(

)

n care energia liniar la sudarea cu arc electric n uniti de msura practic folosite are expresia: 60 Ua IS [KJ cm] EL = (4.8) 1000 v S n care tensiunea arcului Ua se exprima n [V], intensitatea curentului de sudare IS n [A], viteza de sudare vS n [cm/min], temperatura de prenclzire Tpr n [C] i timpul de rcire t8/5 n [s]. Pentru corelarea duritii maxime HM din ZIT cu energia liniara, implicit cu tehnologia de sudare, se nlocuiete timpul de rcire t8/5 funcie de energia liniar EL din relaia (4.7) n relaia (4.6), iar aceasta din urm se introduce n expresia duritii maxime HM dat de relaia (4.4). Ca atare, logaritmnd expresia (4.7), se obine:lg t 8 5 = 7 10 4 Tpr + 0,94 lg EL + lg 900 1,2 lg 600 Tpr Introducnd aceast relaie n expresia (7.9) rezult: X=

(

)

(

)

(4.9)

(7 10

4

Tpr + 0,94 lg EL 1,2 600 Tpr + 3,455 + 7,9 C 11,01 Pcm 0,543 + 0,55 C 0,76 Pcm

)

(

)

(4.10)

Din relaiile (4.10) i (4.4) se obine o corelaie foarte important ntre energia liniar EL, tipul oelului exprimat prin carbonul echivalent Pcm, temperatura de prenclzire Tpr i duritatea maxim HM din ZIT. Aceast corelaie de o deosebit importan are ca efecte nu numai verificarea tehnologiei de sudare dar i determinarea temperaturii de prenclzire n concordant nu numai cu tehnologia de sudare dar i cu proprietile impuse zonei influenate termic. n accepiunea determinrii unei temperaturi de prenclzire avnd la baz proprietile zonei influenate termic, deci consecinele operaiei de sudare, este necesar stabilirea unei dependente ntre duritatea maxim din ZIT i temperatura de prenclzire. Cum duritatea maxim este dat de relaia (4.4), iar temperatura de prenclzire este element component al relaiei (4.7), atunci va trebui s operm cu aceste expresii pentru stabilirea dependenei ntre energia liniara i temperatura de prenclzire. Limitnd39

duritatea din zona influenat termic (trebuie s nu depeasc o valoarea admisibil) HM=HMa, cunoscnd carbonul echivalent al oelului ce urmeaz a fi sudat, funcie de compoziia chimic, deci expresia Pcm, precum i parametrii regimului de sudare Ua, IS, vS, deci energia liniar, atunci se calculeaz din relaia (4.4) valoarea parametrului X: HMa 189 67 C 507 Pcm arctg X = (4.11) 461 Pcm 101 711 C rezultnd:X = tg 189 + 67 C + 507 Pcm HMa 101 + 711 C 461 Pcm

(4.12)

Aceasta relaie poate fi simplificat: a HMa X = tg b n care s-a notat cu: a = 189 + 67 C + 507 Pcm b = 101 + 701 C 461 Pcm Acelai parametru X poate fi determinat i din expresia (4.6) rezultnd: lg t 8 5 + c X= d cu notaiile: c = 0,501 + 7,9 C 11,01 Pcm d = 0,543 + 0,55 C 0,76 Pcm Egalnd expresiile (4.13) cu (4.15) obinem: a HMa lg t 8 5 + c tg = b d i opernd: a HMa lg t 8 5 = d tg c b Timpul de rcire t8/5 va rezulta: t 8 5 = 10d tg a HMa c b

(4.13)

(4.14)

(4.15)

(4.16)

(4.17)

(4.18)

Deci relaia (4.18) limiteaz duritatea din zona influenat termic determinnd timpul de rcire t8/5. Expresia acestui timp de rcire o ntlnim i n relaia (4.7) n funcie de temperatura de prenclzire i energia liniar. Egalnd deci expresia (4.7) cu (4.18) se gsete dependena:

(600 Tpr )1,2(710 EL4

900

(710 EL

4

Tpr + 0,94

) = 10 dtg

a HMa c b

(4.19)

Care mai poate fi scris i sub forma: (4.20) 900 Temperatura de prenclzire rezult n baza relaiei (4.20). Logaritmnd aceast relaie se obine:40 Tpr + 0,94

) = (600 Tpr )1,2 10 dtg

a HMa c b

(7 10sau:

4

Tpr + 0,94 lg EL = 1,2 lg 600 Tpr lg 900 + d tg

)

(

)

a HMa c b

a HMa 1,2 1 lg 600 Tpr 0,94 2,95 + d tg c (4.21) lg EL lg EL b Aceasta relaie se poate scrie simplificat: A Tpr = B lg 600 Tpr C 7 10 4 Tpr =

(

)

(

)

cu notaiile:A = 7 10 4 1,2 B= lg EL C = 0,94 + 1 lg EL

(4.22)

a HMa 2,95 + d tg c b Opernd n continuare relaia (4.21) obinem: A Tpr + C 600 Tpr = 10 (4.23) B Din aceast relaie trebuie determinat temperatura de prenclzire Tpr. Rezolvarea analitic a relaiei este mai dificil motiv pentru care se apeleaz la rezolvarea ei grafic. Se noteaz prile acestei relaii cu funciile: F1 = 600 Tpr (4.24) A Tpr + C F2 = 10 B Reprezentnd grafic cele dou funcii F1 i F2 (fig.4.3), la intersecia celor dou curbe se afl temperatura de prenclzire calculat Tprc.

Fig. 4.3.

41

Cap.5. SUDAREA CU ARC ELECTRIC CU ELECTROZI NVELII (S.E.)

5.1. Clasificarea procedeelor de sudare manuala cu electroziSudarea cu electrozi poate fi realizat n varianta cu electrozi nefuzibili sau cu electrozi fuzibili. Electrozii nefuzibili folosii la sudare pot fi confecionai din crbune, din grafit sau din wolfram. La rndul ei sudarea cu electrozi fuzibili poate fi realizat cu electrozi nenveliti sau cu electrozi nvelii. Sudarea cu electrozi nefuzibili se poate efectua fr aport de material de adaos, prin topirea local a marginilor pieselor de sudat, sau cu aport de material de adaos. Sudarea cu electrozi nefuzibili din wolfram se practic de obicei n varianta cu protecie de gaze inerte.Tabel 5.1. nefuzibili Sudarea cu electrozi fuzibili fr material de adaos arc ntre electrozi cu material de adaos nenvelii nvelii arc ntre electrozi i pies

Sudarea cu electrozi nefuzibili din crbune i grafit poate fi asigurat innd seama c meninerea arcului se obine datorit degajrii n procesul de sudare a oxidului i bioxidului de carbon provenit din oxidarea electrozilor de crbune, gaze care asigura ionizarea mediului ntre componentele de sudat. Sudarea cu electrozi de crbune sau grafit se poate realiza n doua variante, cu arcul electric amorsat ntre electrodul nefuzibil i componentele de sudat, sau cu arcul electric amorsat ntre cei doi electrozi. n ultimul caz arcul poate fi deplasat uor, fr o amorsare de fiecare dat, la nceputul sudrii, efectundu-se operaii de sudare sau lipire cu ajutorul lui. Electrodul din crbune este confecionat de obicei din crbune copt, din crbune presat sau cocs. Electrodul din grafit este obinut prin sinterizare din pulbere de grafit. Electrodul din crbune este ieftin, mai puin fragil dar se uzeaz mai repede, circa 1-3 mm/min. Electrodul din grafit are o uzur mai redus, circa 1 mm/min, asigurndu-se astfel meninerea constant a arcului electric n condiiile amorsrii lui ntre doi electrozi de grafit. Uzura electrodului (consumul de electrod n timpul procesului de sudare) fiind mai mic la electrozii din grafit, acetia din urma pot suporta, ca atare, o intensitate mai mare a curentului electric. Diametrele uzuale ale electrozilor din crbune i grafit sunt cuprinse ntre 3,2 - 20 mm, suportnd o intensitate a curentului de sudare cuprins ntre 15 - 400 A la electrozii din crbune i 15 500 A la electrozii din grafit. Vrful electrodului din crbune sau grafit se prelucreaz conic la dimensiunile din figura 5.1.

Fig. 5.1

Sudarea cu electrozi din crbune sau grafit are o rspndire relativ redus. Ea este nc folosit la sudarea tablelor galvanizate caz n care sudarea se realizeaz cu42

material de adaos pe baz de bronz cu siliciu. Aceste procedee de sudare se mai folosesc i la sudarea tablelor din cupru, caz n care materialul de adaos este o vergea din cupru introdus n arcul electric meninut ntre electrozii de crbune sau grafit, sau ntre acetia i materialul de baz. Sudarea fr material de adaos este folosit la table relativ subiri, cu grosimi de maxim 2 mm marginile fiind rsfrnte ca n figura 5.2.

Fig. 5.2

Sudarea cu electrozi de crbune sau grafit cu arcul amorsat ntre doi electrozi este utilizat uneori i pentru remedierea unor piese din bronz sau font sau pentru operaii de lipire sau ncrcare dur. Sudarea cu electrozi fuzibili nenvelii este un procedeu foarte rar ntlnit. Sudarea se poate totui utiliza numai n curent continuu, avnd marele dezavantaj c nu se asigura o ionizare bun a spaiului arcului electric, de aceea i stabilitatea arcului electric este sczut. De asemenea, n zona arcului ptrund uor oxigenul, azotul i hidrogenul din aerul nconjurtor degradnd caracteristicile mecanice ale sudurii. Se poate utiliza un astfel de procedeu n condiiile unor suduri puin pretenioase, pentru ncrcri, sau n condiiile n care nu dispunem de utilaj i electrozi de performan. Sudarea cu electrozi fuzibili nvelii este ns procedeul cel mai larg folosit. El deine o sfer de activiti de circa 60-75% din totalitatea procedeelor de sudare.

5.2. Performanele sudrii cu electrozi nveliiSudarea cu electrozi nvelii (SE) este un procedeu de sudare manual n care electrodul nvelit este deplasat n lungul componentelor de sudat cu viteza de sudare vS (fig.5.3).

Fig. 5.3

Arcul electric se menine ntre captul electrodului i componentele de sudat, electrodul fiind fuzibil este necesar o micare de naintare a acestuia cu viteza ve spre componentele de sudat. Intensitatea curentului de sudare se stabilete n circuitul format din electrod, arcul electric i sursa de sudare iar tensiunea arcului ntre captul electrodului i baia de metal topit. Dintre performantele cele mai importante ale procedeului S.E. se remarc posibilitatea realizrii operaiei de sudare aproape la toate metalele i aliajele metalice. Grosimea componentelor de sudat variaz de la valoarea minim de circa 1 mm pn la valorile cele mai mari posibile. Prin acest procedeu se poate suda n orice poziie. Procedeul S.E. d posibilitatea unei accesibiliti uoare la toate cordoanele de sudur a43

unei structuri sudate. Echipamentele de sudare pentru acest procedeu sunt ieftine, simple i uor de ntreinut. Procedeul S.E. are ns i o serie de dezavantaje de natur economic i a productivitii. Astfel, factorul operator este foarte redus, mai mic dect 25%, iar gradul de utilizare al materialului de adaos este dintre cele mai reduse, cifrndu-se la mai puin de 65%. Din acest motiv sudarea cu electrozi nvelii, n multe situaii, n care exist posibilitatea tehnic i economic a nlocuirii ei cu o sudare mecanizat, aceasta din urma trebuie introdus. Factorul operator redus i gradul de utilizare al materialului de adaos mic se datoreaz necesitii schimbrii frecvente a electrozilor. Captul prins n cletele port electrod se pierde de obicei. De asemenea, pierderi importante au loc i n timpul procesului de sudare datorit stropilor. Schimbarea frecvent a electrozilor ngreuneaz desfurarea continu a procesului de sudare, scade productivitatea muncii, deci i factorul operator, dar totodat creeaz cratere care duc la concentratori de tensiune, zone periculoase n condiiile comportrii fragile a materialului i care reduc rezistena la oboseal a mbinrii. Componentele cu grosimea sub 3 mm se sudeaz dintr-o singur trecere fra prelucrarea marginilor. Componentele cu grosimea cuprins ntre 3-7 mm se sudeaz S.E. dintr-o singur trecere cu rostul prelucrat n V. mbinrile de col se sudeaz dintr-o singur trecere pn la calibrul de 8 mm. De obicei intensitatea curentului de sudare la sudarea S.E. este cuprins ntre 25-500 A. Nu se folosete o intensitate mai mare de 500 A ntruct electrodul ar trebui s aib diametrul prea mare, pentru a reduce supranclzirea acestuia prin efect Joule, devine greu i dificil de mnuit. Tensiunea arcului este cuprins ntre 15 i 35 V, iar viteza de sudare ntre 6-30 m/h.

5.3. Funciile nveliului electroduluiElectrodul nvelit este constituit dintr-o vergea metalic a crui diametru poart denumirea de diametrul electrodului nvelit (de) i un nveli format din o serie de substane presate pe aceasta. Funciile nveliului sunt urmtoarele: Funcia de ionizare Aceasta funcie asigur funcionarea stabil a arcului electric ntre vergeaua metalic a electrodului nvelit i componentele de sudat. n nveliul electrodului se afl substane cu potenial sczut de ionizare care dau posibilitatea amorsrii uoare a arcului prin ionizarea acestora ca urmare a tensiunii aplicate arcului electric. Tensiunea arcului la sudarea S.E. este relativ mic datorit tocmai substanelor ionizante din nveliul electrodului. n categoria acestor substane ionizante intr dioxidul de titan TiO2 (rutilul), carbonatul de calciu, carbonatul de potasiu, oxizii i srurile unor metale alcaline sau alcalino-pamntoase. Funcia de protecie Se asigur printr-o serie de substane din nveliul electrodului care au rolul de a produce gaze a cror presiune protejeaz baia de sudur mpotriva ptrunderii unor elemente din mediul nconjurtor, n special oxigenul, hidrogenul i azotul. Aceste elemente deci izoleaz baia de metal topit de mediul nconjurtor. Dintre substanele protectoare (gazeifiante) se enumera carbonaii de calciu, magneziu i bariu precum i o serie de substane organice (amidon, celuloz etc). Funcia moderatoare Aceasta funcie este conferit de o serie de substane din nveli care au rolul de a forma o crust de zgur peste cordonul de sudur. Aceasta crust este izolatoare44

termic, micornd viteza de rcire a cordonului, mbuntind astfel plasticitatea acestuia. Totodat, zgura trebuie s aib o densitate mic n raport cu materialul de baza topit astfel nct s se ridice la suprafaa acestuia protejnd cordonul de sudur i mpotriva agenilor atmosferici. Este preferabil ca aceast zgur s se elimine uor de pe suprafaa cordonului. Dintre substanele folosite ca moderatoare (zgurifiante) se menioneaz minereurile de titan, mangan i fier (rutil, ilmenit, rodonit, hematit, manganit etc.) siliciu i silicaii naturali (cuart, feldspat, caolin etc.) i carbonaii naturali (dolomit, magnezit, calcit etc). Funcia de purificare Aceasta este conferit de substanele din nveli care se combin cu elementele nedorite din baia de sudur, n special cu sulful i fosforul precum i cu unele gaze ajunse sub presiunea arcului n baia de metal topit. Dintre substanele purificatoare ale bii de metal topit se menioneaz carbonatul de sodiu, sulfatul de potasiu, boraxul, hidroxizii alcalini etc. O serie de feroaliaje, aluminiu, siliciu i grafitul exercit efectul de dezoxidare al bii metalice. Funcia de aliere Se realizeaz prin introducerea n nveliul electrozilor a unor pulberi de metale care n timpul procesului de sudare trec n baia de metal topit producnd alierea acesteia. Uneori electrozii nvelii au un nveli gros astfel nct n componena acestora se introduc pulberi de fier. Acestea mresc randamentul depunerii, respectiv cresc cantitatea de material depus n unitatea de timp. Crete deci i coeficientul de depunere. Totodat adaosul de elemente de aliere n arcul electric are drept scop i compensarea pierderilor prin ardere a unor elemente n coloana arcului, cum ar fi carbonul, manganul, siliciul, cromul, nichelul etc. Funcia de susinere Se materializeaz prin aceea c zgura format prin solidificarea nveliului electrodului i a altor oxizi, provenii n urma procesului de sudare, asigur sprijinirea bii de metal topit evitnd curgerea ei gravitaional. Aceasta funcie este pregnant folosit la sudarea de poziie, la sudarea pe vertical sau de plafon n care exist tendina curgerii gravitaionale a bii de metal topit. Funcia de susinere se caracterizeaz i prin aceea c produce n zgura topit o tensiune superficial de valoare mare, astfel nct mpiedic scurgerea att a zgurii topite ct i a bii de metal topit. Funcia de liant Aceasta se caracterizeaz prin asigurarea legturii ntre elementele aflate n nveliul electrodului precum i asigurarea aderenei nveliului pe srma de sudat. Cei mai folosii liani din nveliul electrodului sunt silicaii de sodiu i de potasiu. Uneori cnd acetia sunt nedorii, datorit prezenei suplimentare a siliciului n baia de metal topit, se folosesc ca liani dextrina, lacuri bachelitice sau uneori liani organici.

5.4. Caracterizarea electrozilor dup nveliDup tipul nveliului distingem electrozi cu nveli acid, bazic, titanic, organic sau cu alte tipuri de nveliuri. Cu electrozi avnd nveli acid, titanic sau organic se sudeaz bine, arcul fiind stabil att n curent alternativ ct i n curent continuu. De asemenea, aspectul custurii este neted i regulat, zgura ndepartndu-se relativ uor. nveliul acid se caracterizeaz prin aceea ca n structura lui intra bioxidul de siliciu care-i asigur caracterul acid. Arcul creat de acest electrod cu nveli acid este stabil i foarte cald, asigurnd o penetraie bun n materialul de baz. Zgura este ns fluid de aceea nu se recomand folosirea lui la sudurile de poziie. Un inconvenient al45

electrodului cu nveli acid este acela al unei protecii nesatisfacatoare fa de hidrogenul i azotul din mediul nconjurtor. Ca atare, nveliul acid se va folosi la sudarea oelurilor tenace, necalmate, cu coninut maxim de carbon 0,22% i grosimi sub 20 mm, n poziie orizontal. nveliul titanic (rutilic) are n compoziia lui rutil sau ilmenit ce conine oxidul de titan TiO2. Creterea coninutului de rutil mrete vscozitatea zgurei dnd posibilitatea sudrii de poziie. Dezavantajul electrodului rutilic const n aceea c viteza de topire este relativ mic i de asemenea, ptrunderea este moderat. Electrozii cu nveli rutilic se vor folosi deci la sudarea construciilor din oel calmat sau necalmat, cu maxim 0,25% carbon, solicitate static sau dinamic. Este unul din cele mai rspndite nveliuri. Electrozii cu nveli organic au n structura lor substane organice pn la circa 12%. O categorie special de electrozi cu un astfel de nveli sunt electrozii cu nveli celulozic. Aceti electrozi au n structura nveliului rutilul sau ilmenitul, dar la care se adaug i celuloza pn la circa 12%. Celuloza are proprietatea c n procesul sudrii cu arc electric se descompune formnd dioxid de carbon, gaz protector al procesului de sudare. Prin urmare, prezena celulozei d posibilitatea asigurrii sudrii de poziie datorit cantitii mici de zgur, care ader bine la suprafaa metalic solidificat, precum i la sudarea rosturilor mari la care protecia de rdcin este autoasigurat prin dioxidul de carbon. Arcul, de asemenea, este bine protejat mpotriva hidrogenului i azotului din mediul nconjurtor. Concluzionnd cele spuse mai nainte, se poate arata c nveliurile acid, rutilic i organic sunt folosite la electrozii destinai sudrii oelurilor nealiate, cu carbon sczut i a oelurilor slab aliate de uz curent. Aceste nveliuri nu se vor folosi la electrozii destinai sudrii oelurilor aliate, a fontelor, a oelurilor slab aliate cu destinaie special, a metalelor i aliajelor neferoase. Electrozii cu inveli bazic sunt aceia care sunt destinai sudrii oelurilor aliate, slab aliate speciale i a unor materiale metalice neferoase. Aceti electrozi produc metalul topit al zonei cordonului cu puritatea cea mai nalt i cu plasticitate bun. Totodat reduc coninutul de hidrogen din custur mbinrii sudate, mresc plasticitatea acastei mbinri, plasticitate care se menine pn la temperaturi relativ sczute. Componentele principale ale nveliului electrodului bazic sunt fluorina (CaF2), carbonatul de calciu(CaCO3) i oxidul de calciu (CaO). Caracterul bazic este dat de oxidul de calciu. Pe lng marile avantaje ale nveliului bazic aceste nveliuri prezint n procesul de sudare i unele inconveniente: - nveliul bazic este hidroscopic producnd n procesul de sudare pori daca umiditatea depete o valoare admis, motiv pentru care aceti electrozi, nainte de sudare, trebuie neaprat supui procesului de uscare; - potenialul de ionizare al invelisului este relativ ridicat. Ca atare, este nevoie de sudare n curent continuu pentru asigurarea stabilitii arcului cu polaritate invers pentru mrirea cantitii de cldur administrat nveliului ntruct fluorina din nveli se topete la temperaturi ridicate; - trecerea metalului topit prin arcul electric se realizeaz n picturi mai mari. Aceasta se explic prin faptul c oxigenul din aerul atmosferic precum i din reaciile chimice este aproape inexistent n zona arcului. Oxigenul este acela care creeaz oxidul de fier ce se caracterizeaz printr-o tensiune superficial ridicat. Neexistnd acest oxid de fier la sudarea cu electrozi bazici picturile sunt de dimensiuni mai mari. Nu pot fi create picturi mici care s intre n echilibru mecanic prin tensiunile superficiale existente. Totodat, datorit picturilor mari i a tendinei de stropire, aspectul estetic al custurii las uneori de dorit. O categorie special de electrozi o constituie electrozii pentru sudarea materialelor neferoase. Astfel, electrozii pentru sudarea aluminiului i aliajelor sale sunt46

constituii dintr-o vergea metalic din aluminiu cu compoziia chimic similar cu a metalului de baz. Vergeaua este ns acoperit de un nveli compus din cloruri i fluoruri ale metalelor alcaline, precum i din alte substane. Sub influena temperaturii ridicate a arcului electric clorurile i fluorurile se combin cu oxidul de aluminiu transformndu-l n fluorur de aluminiu. Oxidul de aluminiu este dumanul cel mai periculos al procesului de sudare a acestor aliaje. Acesta are o temperatur ridicat de topire i, ca atare, ngreuneaz desfurarea procesului de sudare. El este nlturat de pe suprafaa bii de metal topit prin fenomenul descris anterior. O alt categorie de electrozi nvelii speciali sunt electrozii pentru sudarea cuprului si aliajelor sale. Aceti electrozi sunt constituii n forma tubular dintr-o vergea din cupru acoperit de un nveli peste care se dispune o eav tot din cupru, nveliul intermediar n interiorul electrodului, ntre miezul acestuia i blindajul exterior de cupru asigur de fapt protecia arcului i ionizarea spaiului acestuia. Un tip special de electrozi l constituie i electrozii pentru sudarea sub ap. Aceti electrozi au n nveliul lor substane organice, de obicei celuloz, care produc o mare cantitate de gaze. Gazele sub aciunea presiunii lor dinamice nltur apa din jurul mbinrii sudate dnd posibilitatea desfurrii corecte a procesului de sudare cu arcul electric. nveliul electrodului pentru sudarea sub ap pentru a nu fi umezit este nvelit cu un lac de bachelit. n ultimul timp se practic i sudarea cu electrozi polimetalici. Aceti electrozi pot fi de tipul combinaiilor, prin alipire, a unor electrozi uzuali sau electrozi de form tubular. Aceti electrozi se folosesc atunci cnd materialul ce urmeaz a fi sudat nu poate fi realizat sub aspectul obinerii compoziiei chimice a mbinrii sudate cu electrozii clasici. n funcie de diametrul electrozilor componeni ai fascicolului de electrozi, folosii la sudare, precum i de compoziia chimic a acestora se obine o baie de metal topit cu proprietile impuse. Electrozii tubulari constau din nveliuri dispuse coaxial din diferite materiale metalice peste care se dispune nveliul de