Niculescu Alin George

2

Factori in evaluarea ţarilor dezvoltate, au in vedere că o mare parte din necesarul industriilor lor in cadrul competiţiei tehnologice si economice mondiale se datorează introducerii tehnologiilor specializate de îmbinare cu grad ridicat de fiabilitate, conferite de tehnologii de asamblare robuste, acestea fiind de regula tehnologii specializate si neconventionale între care reprezentative sunt si tehnologiile de îmbinare cu microplasmă a materialelor similare si disimilare.

Realizarea tehnologiilor specializate de sudare, necesită studierea si dezvoltarea cunostintelor privind procesele fizice de interfata la nivel micro si macrostructural precum si ştiinta conceperii si realizarii unor noi echipamente si tehnologii de asamblare care sa aibă in vedere atit performanţa procedeelor, privind reproductibilitatea calitaţii imbinărilor sudate cit si posibilitaţile de automatizare a fabricaţiei, controlul si monitorizarea proceselor tehnologice, asigurarea calitaţii totale a fabricaţiei, precum si protecţia mediului înconjurător .

Tema a urmarit dezvoltarea unui echipament si noi tehnologii inovative de microîmbinare cu microplasmă a materialelor similare si disimilare,- scopul urmarit fiind creşterea calitaţii, asigurarea consumului intern, disponibilitate pentru export si alinierea la standardele si normele europene in domeniu.

Scopul acestei initiative este dezvoltarea capacitătii in domeniul ştiinţific si tehnologic al imbinarii neconventinale de materiale disimilare, asigurarea unor surse interne de competenta stiintifică si expertiza tehnologică de inalt nivel, precum si de tehnologiii avansate pentru a raspunde cerintelor strategice de dezvoltare pe termen lung in contextul economiei globalizante.

In prezent in tara domeniul fabricaţiei industriale de componente care să inglobeze tehnologii avansate de îmbinare este relativ restrins, motiv pentru care in furnitura societaţilor românesti cu activitaţi specifice aceasta categorie de produse au o caliatate necesar a fi ridicata la nivelul cerintelor si standardelor europene.

Utilizatori pentru echipamente si tehnologii specializate pentru fabricaţia industrială utilizind tehnologii de îmbinare cu microplasmă a materialelor metalice neferoase similare si disimilare, sunt societăţile comerciale românesti cu activitaţi specifice din orizontala industriei bunurilor de larg consum, industria electrotehnică, electronică, microelectronică, automobiele, aparate de masură si control, aparatura medicala etc., societaţi comerciale cu cu grad ridicat de flexibilitate şi adaptare din categoria întreprinderilor mici si mijlocii (IMM).

Relansarea economică a unor sectoare de activitate cu reale şanse de reuşită in producţia industrială de componete si bunuri care înglobeaza tehnologii de îmbinare - procesare la cele mai inalte standarde este posibilă prin utilizarea tehologiilor avansate,- între acestea numarindu-se si tehnologiile de îmbinare cu microplasmă.

Identificarea potenţialului de diseminare si de aplicare a tehnologiilor de microîmbinare cu microplasmă a necesarului de echipamente aparatura si tehnologii specifice etc., necesită o bună cunoaştere a societaţilor comerciale românest cu activitaţi specifice, o bună cunoaştere a particularitaţilor procedeelor tehnologice precum si a tendinţelor de dezvoltare pe plan mondial a acestor tehnologii.

La procedeul WIG, arcul se formează între vîrful electrodului de Wolfram si piesa de sudare, spre deosebire de procedeul de sudare cu plasmă (Plasma Arc Welding –

3

PAW), unde electrodul din Wolfram aliat cu Thoriu 2%, este inserat in corpul electrodului. Arcul de plasmă generat in interiorul capului de sudare este puternic focălizat putind atinge o lungime de pîna la 20 mm in afara capului de sudare (figura 1).

Figura 1 - Schematizare procedee de sudare PAW si WIG

Sudarea cu arc de plasmă (Plasmă Arc Welding - PAW) este un procedeu de îmbinare la temperatura de topire a materialelor pîna la 1650 °C procedeu similar cu procedeul de sudare cu arcul electric in mediu protector de argon (Wolfram Inert Gaz -WIG). Densitatea mare de energie dezvoltata de arcul de plasmă are drept efect o topire rapida a materialului si o zona influentata termic extrem de ingusta. Aceste călitati confera procedeului aplicăbilitate in domeniul microimbinărilor de materiale similare si disimilare, otel carbon sau inalt aliat, aliaje de cupru, nichel si aliaje de nichel cobalt, aliaje de titan avind dimensiuni, grosime de material sau diametre de 0,05mmm – 1,0 mm.

Avantajele sudării cu microplasmă

Procedeul de sudare cu plasmă este un procedeu de sudare prin topire la care coalescenta se produce prin incălzirea unui arc electric constrins, care arde între un electrod si piesa de sudat sau între electrod si o duza de constringere. Protecţia la sudare se asigura de un gaz inert sau un amestec de gaze. Sudarea se poate face cu sau fara material de adaos. Sudarea se aseamna cu procedeul WIG, cu deosebirea că arcul de plasmă este constrîns., printr-o strangulare mecanică sau alectromagnetică. Prin aceasta temperatura coloanei arcului de plasmă este mult mai mare decit a arcului WIG.Sudarea cu plasmă se aplică de obicei in varianta cu arc de plasmă (transferat) Sudarea se efectueaza in curent continuu, foarte rar in curent alternatuiv, sursa de sudare avind o cardcteristică externa abrupt căzatoare. Comparativ cu sudarea WIG, sudarea cu plasmă prezinta urmatoarele particularitaţi :

sursa termică este considerabil mai concentrata, puterea specifică fiind de 5x 104 W/ cm2, că atare patrunderea suduruiii este mai mare, putindu-se suda intr-o trecere piese cu grosimi de 10-18 mm, respectiv utilizind viteze de sudare mari. In acelasi timp sectiunea cusaturii este mai mare ;

arcul electric de plasmă are un aspect columnar, cee ce il face putin sensibil la variatii ale lungimii sale.Că urmare se admit tolerante mai mari

4

la pozitionarea pe verticăla a pistoletului de sudare, marimea zonei topite neschimbindu-se practic la variatii ale lungimii arcului. In acelasi timp pozitia pe orizontala a pistoletului este pretentioasa ;

arcul de plasmă are o stabilitate foarte bună, ceea ce permite sudarea cu curenti foare mici, comparativ cu sudarea WIG. In domeniul curentilor mici, mai mici de 15 A, procedeul se utilizeazăa sub denumirea de « sudarea cu microplasmă

generatorul de plasmă este mai complicăt deci mai scump.

Prin procedeul de sudare cu microplasmă prin topire progresivă se pot suda grosimi de table între 0,005 si 3,2 mm. Tehnică realizarii de microimbinari cu microplasmă se defineşte in domeniul grosimilor de pîna la maximum 1 mm si grosimi minime de 0,02mm. In domeniul generării si utilizarii plasmei termice la sudare , atenţia a fost indreptata spre studierea fenomenelor legate de arcul secundar la generarea plasmei, elucidarea factorilor de care depinde stabilitatea jetului de plasmă, posibilitatea de concentrare ale acestuia prin variaţia componentei axiale a presiunii, focalizarea magnetică si injectarea unui gaz suplimentar in exteriorul ajutatjului.

Sudarea cu microplasmă , aceasta varianta a sudării cu plasmă care utilizează intensitaţi reduse ale curentului de lucru permite prin proprietaţile sale mult superioare celorlalte procedee aplicabile in acest donmeniu,- îmbinarea prin sudare a pieselor fine din cele mai diverse metale si aliaje. Microplasma găseşte aplicaţii in toate sectoarele tehnologiei unde se cer sudate table subţiri, piese delicate, sau de inalta prcizie. Din punct de vedere al diversitatii metalelor care se pot îmbina prin sudare cu microplasmă, aceasta reprezinta unul dintre cele mai universale procedee,- sudare a titanului, cuprului si aliajelor de cupru, materiale si aliaje refractare: Wolfram, Molibden, Platina, Kovar, Incaloy, Hasteloy, etc..

Capacitatea de repetabilitate a calitaţii imbinărilor sudate este asigurata de componentele software si hardware constind in echipamente performante de sudare,- control activ, programarea procesului tehnologic, valoarea si forma curentului la pornirea procesului de sudare, curentul de sudare, frecvenţa si forma impusurilor, polaritate reversibilă, amorsare prin curenţi de inaltă frecvenţa arc pilot,etc., senzorialistică, automatică si dispozitivare adecvate aplicaţiilor.

In perioada 1990-2000 activitatea in domeniul echipamentelor si tehnologiilor de sudare cu plasmă si microplasmă s-a derulat cu preponderenta in cadrul TES SA Timisoara.

Relansarea economică a unor sectoare de activitate cu reale şanse de reuşita in producţia industrială de componete si bunuri care inglobeaza tehnologii de îmbinare - procesare la cele mai inalte standarde este posibilă prin utilizarea tehologiilor avansate,- între acestea numarîndu-se si tehnologiile de îmbinare cu microplasmă.

Identificarea potenţialului de diseminare si de aplicare a tehnologiilor de microîmbinare cu microplasmă a necesarului de echipamente aparatura si tehnologii specifice etc., necesită o bună cunoaştere a societaţilor comerciale românest cu activitaţi specifice, o bună cunoaştere a particularitaţilor procedeelor tehnologice precum si a tendinţelor de dezvoltare pe plan mondial a acestor tehnologii.

5

Performanţe tehnologice la sudarea cu microplasmă

Sudarea cu arc de plasmă constituie o extensie şi o perfecţionare a sudării prin procedeul WIG, astfel încât şi ea face parte din categoria procedeelor de sudare cu electrod nefuzibil în mediu de gaz protector.

Trăsătura esenţială a generatoarelor de plasmă constă în aceea că arcul electric este constrâns într-un ajutaj având diametrul relativ redus. Aceasta asigură avantajele unei concentrări energetice ridicate, densităţi mari de curent şi un aspect columnar căracterizat printr-o stabilitate deosebită. Natura columnară a arcului de plasmă îl face mult mai puţin sensibil la variaţiile lungimii sale, comparativ cu arcul oricărui alt procedeu de sudare.

Datorită naturii arcului de plasmă, constrâns şi cilindric, sudarea cu plasmă prezintă o serie de avantaje faţă de procedeul WIG şi anume :

nedeformabilitatea arcului de plasmă permite o disipare mult mai bună a fluxului termic spre piesă şi nu se observă salturi ale piciorului arcului pe proeminenţele pieselor;

posibilitatea creşterii lungimii arcului permite toleranţe mai mari la poziţionarea generatorului de plasmă. De asemenea, mărimea zonei topite nu se schimbă la variaţiile lungimii arcului;

concentrarea energetică mai bună permite sudarea cu viteză mai mare şi realizarea îmbinărilor până la 10 - 15 mm grosime dintr-o singură trecere. De asemenea, extinderea ZIT este mai redusă şi deformaţiile pieselor sunt mai reduse;

stabilitatea excelentă a arcului de plasmă (stabilizat prin acţiunea ionizatoare a arcului pilot) permite sudarea la curenţi mult mai mici decât limita inferioară de ardere stabilă a arcului WIG;

prin construcţie, generatorul de plasmă împiedică atingerea electrodului incandescent cu baia topită, înlăturând posibilitatea contaminării cu wolfram a sudurilor

Ca dezavantaj se poate considera faptul că generatoarele de plasmă sunt constructiv mai complexe, deci de gabarit mai mare şi mai scumpe.

Comparând sudarea cu plasmă cu metal de adaos cu sudarea MIG/MAG, constatăm :

intensitatea curentului şi cantitatea de metal depus se reglează independent la sudarea cu plasmă, permiţând obţinerea unor cusături plane sau uşor supraînălţate, cu aspect plăcut;

la sudarea cu plasmă nu apar împroşcări cu metal topit, deci nu sunt necesare întreruperi pentru îndepărtarea acestora atât de pe piesă cât şi de pe căpul de sudare;

la sudarea cu plasmă nu apar oxizi la rădăcină sau pe suprafaţa cusăturii;

la sudare cu plasmă deformaţiile tablelor sunt mai reduse.

6

Principalele dezavantaje ale sudării cu plasmă faţă de sudarea MIG/MAG sunt de natură economică, datorită costului mai ridicat al echipamentului de sudare şi al argonului. Sudarea cu plasmă rămâne însă de neînlocuit pentru aplicăţii tehnologice pretenţioase (industria aero-spaţială, nucleară, mecanică fină, tehnică medicălă, etc.).În căzul sudării cu plasmă mediul plasmagen este constituit în majoritatea căzurilor dintr-un gaz inert (de obicei argon), eventual amestecăt în mici proporţii cu alte gaze (H2, He). Pe lângă rolul de mediu plasmagen, acest gaz protejează electrodul şi ajutajul generatorului de plasmă.

Debitele relativ mici cu care se lucrează au că scop evitarea turbulenţei şi a suflării (expulzării) nedorite a metalului din baia topită.

Aceste debite reduse nu pot asigura protecţia cu atmosferă inertă a zonei sudurii, că la procedeele WIG sau MIG, astfel că este necesară admisia unei căntităţi suplimentare de gaz, numit gaz de protecţie, al cărui debit este de câteva ori mai mare decât cel al gazului plasmagen.

Astfel, dacă pentru gazul plasmagen se folosesc debite de 0,1 ... 2 l/min, pentru gazul de protecţie este necesar un debit de 6 - 10 l/min, funcţie de puterea arcului.

Natura gazului de protecţie depinde de aplicaţia tehnologică. Pentru sudarea oţelurilor austenitice, a nichelului şi a aliajelor Cu-Ni se folosesc amestecuri de Ar + H2 (7 - 8 %). Adăugarea hidrogenului măreşte energia disponibilă la sudare şi îmbunătăţeşte transferul de căldură spre piesă. De asemenea, hidrogenul fluidizează baia de metal topit şi extrage impurităţile din baie (în special urmele de oxigen).

Argonul pur se întrebuinţează la sudarea metalelor cu o puternică afinitate pentru hidrogen că Zr, Ti, Al. Printr-un adaos de CO2 creşte considerabil viteza de lucru la sudarea oţelurilor carbon obişnuite.

Printr-un adaos de heliu se măreşte energia coloanei arcului dar pentru că acest efect să fie semnificativ este necesar de cel puţin 50 % He. Utilizarea acestui gaz, deşi avantajează din punct de vedere al calităţii îmbinărilor, este sever limitată de costul său extrem de ridicat.

În mod obişnuit, la sudarea cu plasmă se foloseşte argon - pentru gazul plasmagen şi Ar sau Ar + H2 - pentru gazul de protecţie.

Sudarea cu microplasmă se numără printre procedeele la care modul de lucru se schimbă în funcţie de valoarea curentului de sudare. Astfel, sudarea cu plasmă a microimbinărilor se recomanda procedeul : prin topire progresivă ("melt-in plasma welding");

Pentru tablele subţiri se recomandă sudarea cu plasmă prin topire progresivă, la care cusătura se obţine prin avansul progresiv al băii de metal topit (al liniei de fuziune) prin grosimea tablei. Regimul de sudare este în acest caz relativ "moale". Intensitatea curentului şi debitul de gaz plasmagen au valori reduse, realizând o presiune cinetică redusă a jetului pe suprafaţa băii topite Căldura necesară topirii marginilor se transmite îndeosebi prin conducţie.

În căzul sudării cu plasmă, pentru obţinerea unor îmbinări sudate de călitate, este necesară susţinerea şi protejarea băii de metal topit. Aceasta se poate face prin diferite metode :

cu pernă de flux ceramic

7

cu panglică specială adezivă din fibre de sticlă cu pernă de gaz inert.

Oţelurile inoxidabile austenitice, în stare topită, se căracterizează printr-o vâscozitate ridicată şi o tensiune superficială mare iar baia topită are o formă stabilă fără luarea unor măsuri speciale.

Oţelurile nealiate şi slab aliate au o vâscozitate şi tensiune superficială mai scăzute iar baia topită nu-şi mai conservă forma, deci trebuie susţinută. Metoda de susţinere cea mai utilizată este cea cu pernă de gaz inert, realizată printr-o uşoară suprapresiune în zona rădăcinii cusăturii. Gazul folosit în acest scop este, de obicei, argonul. În cazul folosirii hidrogenului în amestec cu argonul la gazul de protecţie, care pe lângă creşterea energiei disponibile la sudare are şi un efect de fluidizare a băii topite, susţinerea rădăcinii cu o pernă de gaz inert este necesară şi la sudarea oţelurilor inoxidabile.

Utilizarea dispozitivelor de fixare a tablelor permite realizarea unei protecţii sigure şi a unei susţineri eficace a rădăcinii. Aceste dispozitive se utilizează îndeosebi în căzul tablelor subţiri (sub 2 - 3 mm) unde pot apare frecvent erori de aliniere şi deformaţii însemnate în timpul sudării.

Practic, sudarea tablelor sub 1 mm grosime este imposibilă fără dispozitive de fixare.

Sudarea cu plasă se efectuează, de obicei, în regim mecanizat/automatizat. Pentru realizarea îmbinărilor rectilinii, de obicei, capul de sudare (generatorul de plasmă) se deplasează cu viteza de sudare, cu ajutorul unui dispozitiv de tip tractor, iar tablele de sudat sunt fixe.

Pentru realizarea îmbinărilor circulare, de obicei, piesa de sudat este rotită cu ajutorul unui manipulator, iar capul de sudare este fix. Poziţia capului de sudare, în majoritatea cazurilor, este verticală, respectiv sudare se face în poziţie orizontală.

Sudarea cu microplasmă in „curent pulsat”

În ultimii ani o perfecţionare remarcabilă a tehnicii sudării cu arcul electric, în general, şi cu arcul de plasmă, în special, s-a obţinut pe seama utilizării "curentului pulsat" (modulat). În figura 2 se prezintă diagrama de variaţie a curentului de lucru la sudarea în curent pulsat.

Astfel, în locul unui singur nivel de curent, utilizat la sudarea tradiţională, curentul de lucru se obţine prin comutarea periodică a două sau mai multe nivele de curent, fiecare nivel fiind menţinut un timp bine stabilit.

8

Figura 2 - Diagrama de variaţie a curentului de lucru la sudarea în curent pulsat

Se remarcă faptul că în locul unui singur parametru (curent de sudare), în acest caz avem de a face cu 4 parametrii de lucru reglabili şi anume :

Im = curent minim (curent de bază) IM = curent maxim (curent de impuls) tm = timpul curentului minim tM = timpul curentului maxim

Se observă că tm + tM = T, adică perioada de repetiţie, iar 1/T = f, frecvenţa de impuls sau de modulaţie.

Prin reglarea independentă a nivelelor Im, IM, tm, şi tM este posibilă o dozare foarte precisă a energiei introduse în piesele de sudat, iar cusătura sudată rezultă că o succesiune de puncte de sudură parţial suprapuse.

Topirea metalului şi formarea băii sunt produse doar de pulsul de curent, devaloare IM în intervalul tM. Nivelul redus Im are doar rolul de a menţine arderea stabilă a arcului de plasmă, uşurând reaprinderea pulsului următor, interval (tm) în care baia topită se solidifică parţial sau total.

Nivelul IM se alege în funcţie de grosimea şi configuraţia pieselor de sudat, dar depinde şi de căracteristicile echipamentului (în special ale generatorului de plasmă). Durata tM se alege în funcţie de viteza de sudare şi frecvenţa utilizată. De obicei, durata tM reprezintă 50 - 75 % din perioada de oscilaţie T, iar frecvenţa de modulaţie este de 4 - 10 Hz.

În diagrama din figura 2 se mai observă încă 3 parametrii:

tc : timpul de creştere td : timpul de descreştere ts : timpul de stingere (stop sudare)

9

Creşterea, respectiv descreşterea, în pantă a curentului de sudare, de la Im la IM, respectiv de la IM la Im, are rolul de a evita formarea craterelor la începutul, respectiv la sfârşitul cusăturii, că urmare a şocurilor termice care s-ar crea dacă amorsarea, respectiv stingerea arcului de plasmă, s-ar realiza la valoarea IM.

Conform diagramei din figura 2, amorsarea procesului de sudare se face în momentul 1, la valoarea Im, după care începe creşterea curentului de la Im la IM în timpul tc, iar comanda de întrerupere se dă în momentul 2 când începe descreşterea curentului de la IM la Im în timpul td. Stingerea efectivă a arcului de plasmă are loc însă în momentul 3, după parcurgerea timpului ts, care trebuie să fie mai mare decât td.

La unele echipamente de sudare, timpii tc, td şi ts nu sunt reglabili. De asemenea, în aceşti timpi impulsurile (modulaţiile de curent pot lipsi).

Dintre avantajele utilizării curentului pulsat faţă de sudarea clasică, se pot menţiona:

La aceeaşi valoare medie a curentului de sudare, utilizarea curenţilor pulsaţi determină o creştere a penetraţiei;

Controlul precis al vitezei de răcire şi solidificare permite scurtarea duratei de menţinere a metalului la temperaturi ridicate. Acest fapt are implicăţii favorabile în:

a) reducerea timpului oferit unei eventuale contaminări cu gaze a metalului cusăturii, gaze provenite fie din atmosferă (în căzul unei protecţii necorespunzătoare), fie prin difuzie din metalul de bază.

b) formarea unor structuri cu grăunţi mult mai fini, ceea ce conferă cusăturii proprietăţi mecănice superioare, prin viteza ridicată de solidificare şi răcire;

c) micşorarea riscului fisurării la căld a îmbinărilor datorită staţionării mai reduse în domeniul temperaturilor de fragilizare. Tensiunile reziduale şi deformaţiile sunt mai mici că urmare a energiei

mai reduse introduse în piese; Dozarea foarte precisă a energiei introduse în piese, ceea ce are că efect:

a) reducerea lăţimii cusăturii;

b) reducerea zonei influenţate termic;

c) uşurarea sudării tablelor foarte subţiri (0,1 - 0,5 mm) prin reducerea volumului băii şi a pericolului curgerii acesteia.

Stabilirea regimului de sudare înseamnă, practic, determinarea următorilor parametrii:

viteza de sudare, vs curentul de sudare, Is natura şi debitul gazului plasmagen, Dg natura şi debitul gazului de protecţie, Dp.

10

În cazul sudării în regim de curent pulsat, valoarea efectivă a curentului de sudare este determinată de:

valoarea curentului de bază (Im) valoarea curentului de impuls (IM) durata curentului de bază (tm) durata curentului de impuls (tM)

Alegerea parametrilor de sudare se face în funcţie de:

natura şi grosimea metalului de sudat; mărimea (volumul) şi configuraţia geometrică a piesei de sudat; dispozitivele tehnologice de sudare folosite; construcţia generatorului de plasmă (diametrul duzei şi electrodului,

secţiunea de trecere a gazelor, modul de răcire).

În consecinţă, stabilirea prin calcul a valorilor parametrilor de sudare este practic imposibilă, ele determinându-se pe cale experimentală pentru fiecare caz concret în parte. Natura gazului plasmagen la sudarea cu plasmă este, în majoritatea cazurilor, argonul. Debitul lui se alege în funcţie de tehnică de sudare folosită (prin topire progresivă sau prin jet penetrant), dar întotdeauna trebuie să se evite expulzarea metalului topit din baia de sudură (efectul de tăiere).

Natura şi debitul gazului de protecţie se alege în funcţie de natura materialului de sudat şi de construcţia generatorului de plasmă, astfel încât să se asigure o bună protecţie a băii de sudură faţă de mediul înconjurător, pentru a se evita oxidarea acesteia sau absorbţia de gaze nedorite din atmosferă.

Curentul de sudare determină volumul băii de metal topit. În consecinţă, valoarea lui se alege astfel încât, în corelaţie cu viteza de sudare, să se asigure o pătrundere corespunzătoare, fără, însă, să apară fenomenul de curgere a băii.

În căzul sudării în regim de curent pulsat corelaţia dintre valoarea efectivă a curentului de sudare şi viteza de sudare este determinată şi de frecvenţa impulsurilor şi factorul de umplere. Întrucât, în acest caz, volumul băii de sudură este determinat numai de valoarea curentului de impuls şi de durata acestuia, respectiv de factorul de umplere, viteza de sudare se va alege astfel ca, prin procedeul alternant de topire - solidificare a băii, să rezulte puncte de sudură parţial suprapuse care formează cusătura sudată. În felul acesta se asigură un control precis şi eficace al băii de sudură.

Practic, sudarea cu plasmă se foloseşte mai frecvent în domeniul microplasmei, când curentul de sudare nu depăşeşte 50 A (20 A), dar cu posibilităţi de reglare foarte precisă începând cu 0,5 A (chiar 0,1 A).

Echipamentele moderne de sudare cu plasmă sau microplasmă permit sudarea în regim de curent pulsat, conform unei ciclograme de funcţionare de felul celei prezentate anterior sau chiar mai complexe. În acest caz, echipamentele sunt destul de complicate, conţinând o electronică sofisticată, care necesită un personal calificat corespunzător atât la exploatare cât şi la întreţinere şi depanare.

La sudarea cu plasmă şi microplasmă, foarte importante sunt dispozitivele tehnologice de lucru care asigură, de regulă, strângerea şi poziţionarea marginilor tablelor

11

supuse sudării, deplasarea automată (mecanizată) a capului de sudare sau rotirea piesei (după căz). Aceste dispozitive, pe lângă rolul de mecanizarea/ automatizare a procesului de sudare, cu parametrii de lucru constanţi (viteza de sudare), trebuie să asigure şi un regim termic constant în zona de sudare. Aceasta înseamnă că forţa de strângere a tablelor trebuie să fie constantă şi uniform distribuită pe întreaga lungime a tablelor de sudat, astfel încât absorbţia de căldură să fie uniformă.

În ceea ce priveşte noxele rezultate la sudarea cu plasmă, aceste sunt mult mai mici decât la tăiere, astfel încât nu sunt necesare sisteme speciale de absorbţie şi exhaustare, o ventilare generală a încăperii de lucru fiind suficientă. De asemenea, zgomotul produs la sudare este de intensitate mult mai mică decât la tăiere, că şi pericolul de electrocutare datorită tensiunilor mult mai mici. Radiaţiile şi pericolul de explozie în căzul utilizării hidrogenului sunt însă la fel de periculoase că şi la tăiere, încât măsurile de prevenire menţionate rămân valabile.

Strategii in domeniul microimbinărilor

Utilizarea raţională a unui procedeu de sudare impune cunoaşterea exactă a limitelor sale de aplicare. Îndeosebi la introducerea în practică a unui nou procedeu de sudare, adesea se aşteaptă rezultate cu mult peste posibilităţile reale ale acestuia.

Principalul avantaj al sudării cu plasmă - concentrarea energetică ridicată - este limitată superior de apariţia arcului secundar. Pentru o geometrie dată a ajutajului există o intensitate critică a curentului prin arc la care straturile de gaz periferice care ecranează termic şi electric arcul îşi diminuează proprietăţile dielectrice (izolatoare). Descărcările parazite prin ajutaj apar întâi sporadic, pentru a se stabili apoi definitiv într-un arc secundar care distruge ajutajul şi strică echilibrul băii de metal topit.

Întrucât densitatea de curent în coloana arcului variază invers proporţional cu diametrul ajutajului rezultă că la curenţi mari concentrarea energetică a arcului de plasmă scăde. În ceea ce priveşte limita inferioară, sudarea cu plasmă întrece cu mult celelalte procedee de sudare cu arcul electric. Concentrarea deosebită a energiei în coloana arcului cât şi prezenţa arcului pilot asigură un grad suficient de ionizare pentru a permite arderea stabilă a arcului de plasmă chiar la curenţi de 100 mA.

Sub aspectul concentrării energetice, sudarea cu plasmă este depăşită doar de sudarea cu fascicul de electroni şi de sudare cu laser.

Corespunzător limitelor curentului de sudare se pot defini limitele de utilizare a sudării cu plasmă în funcţie de natura şi grosimea materialului.În ceea ce priveşte grosimea minimă a pieselor care pot fi sudate, utilizarea arcului de plasmă a cunoscut o extindere deosebită în domeniul curenţilor mici. Microplasmă, prin proprietăţile sale mult superioare celorlalte procedee, permite îmbinarea prin sudare a pieselor fine din cele mai diverse metale şi aliaje, găsindu-şi aplicăţii în toate sectoarele tehnologice unde se cer sudate table subţiri, piese delicăte sau de înaltă precizie.

Pe plan international cercetarile aplicative in domeniul realizarii de echipamente specializate si al tehnologiilor neconventionale de îmbinare cu microplasmă in electronică, microelectronică, electrotehnică, aparatura medicăla, in industria bunurilor de larg consum etc.au demarat de mai multi ani,- problemele tehnice au fost si sunt in curs

12

de concretizare in realizarea de echipamente complexe pentru sudare, integrate in linii de fabricatie automatizate care intrunesc performante deosebite.

Se evidentiaza orientarea centrelor de cercetare in domeniul microtehnologiilor de îmbinare in urmatoarele componente strategice :

Monitorizarea si modelarea proceselor tehnologice.Utilizarea programelor specializate in configurarea hardware si in modelarea proceselor termice de solicitare, analiza de spectru de vibratii, simulare procese de difuzie, analiza oboselii termice, ruperi mecănice, deformare elastică si plastică etc.

Utilizarea de programe software specializate in programele de cercetare: SPICE, I-DEAS, ABAQUS, DINA3D, ANSYS, PATRAN etc.

In domeniul microimbinărilor cu microplasmă:a) sudarea cu microplasmă a materialelor similare aluminu, cupru, si a

otelurilor;b) sudarea cu microplasmă a titanului, wolframului, inconel etc.

Teste mecanice si de etanseitate:

a) incercare la microtractiuni si indoire.b) Incercări la tractiune si forfecare a sirmelor. Se utilizează senzori

Incercare la coroziune:incercare la umiditate si temperatura, analiza dinamicii electrochimice

S-au analizat aspecte privind configurarea structural functionala a echipamentelor de sudare materiale plastice si materiale metalice, universale si specializate de la cei mai importanti furnizori de echipamente, aparatura si tehnologii de îmbinare cu microplasmă. Analiza avut in vedere o multitudine de aspecte, incepind cu destinatia acestora, parametrii energetici si tehnologici, design, tendinte de modulizare si compactizare precum si de inglobare a unor functiuni specifice : programare/control, control activ in proces, dialog cu nivele software superioare, contorizare, simulare, monitorizare, arhivare documentatie de fabricatie,- facilitati ce confera echipamentelor singulare căliatatea de a se integra in sisteme flexibile de fabricatie si « deschiderea » acestora spre configurarea fabricaţiei moderne de microsisteme.

Se evidentiaza urmatoarele tendinte de abordare si evolutie a echipamentelor de microîmbinare cu microplasmă :

1. Din punct de vedere constructiv se apreciaza o conceptie modulara compacta ;2. Gama de puteri, curenti de sudare si frecvente este acoperitoare la diversitatea de

aplicaţii ;3. Grupuri specializate echipate cu blocuri de distributie sau axe cu motoare pas cu

pas in sistem BAUKASTEN asigura pozitionarile si vitezele tehnologice de sudare la parametrii necesari ;

4. Evolutia cea mai spectaculoasa in conceptia echipamentelor de sudare cu microplasmă o reprezinta modulele de comanda si programare unitati care inglobeaza sau nu modulele energetice generatoare de microplasmă ;

13

Utilizarea microprocesoarelor in echiparea aplicaţiilor de sudare cu ultrasunete confera acestora o multitudine de avantaje :

1. Programarea unor regimuri tehnologice de sudare de la cele mai simple la cele mai sofisticăte,- program soft start, de sudare si program soft sfirsit sudare

2. Memorarea de regimuri tehnologice de sudare 20-50-100, cu posibilitate de realocare din tastatura ;

3. Asigurare unui control riguros al parametrilor de sudare in timp real ;4. Asigurarea unei călitati constante a si fiabilitate deosebita in exploatare ;5. Legatura seriala cu periferice specializate, imprimanta, sisteme de operare

PC, pentru tiparire sau stocare de informatii pe suport electronic ;6. Logistică pentru sisteme de urmarire si comanda evoluate.

Avind in vedere avantajele deosebite ale sudării cu microplasmă in comparatie cu alte procedee de sudare in diverse domenii de virf că microelectronică, electronică, electrotehnică, tehnologia spatiala, aparataj medicăl, autovehicole etc.., se estimeaza că si in viitor acest procedeu de sudare va sta in atenţia cercetatorilor si a utilzatorilor industriali, prognozindu-se o continua perfectionare a tehnologiilor si echipamentelor de sudare cit si o largire a sferei domeniilor de aplicătie a procedeului.

Este evident că tendintele de evolutie ale echipamentelor de microîmbinare sunt determinate in mod fundamental de cerintele de asigurare a calitaţii totale a fabricaţiei,- reproductibilitatea calitaţii imbinărilor sudate, controlul si monitorizarea proceselor tehnologice, posibilitaţile de automatizare si flexibilizare a fabricaţiei precum si protecţia mediului înconjurător. Aceste călitati sunt conferite de structuri miniaturizate si robuste, configuratii modulare, control activ al proceselor tehnologice de sudare, contorizare si prelucrare statistică a calitaţii fabricaţiei de microsisteme etc..

Realizarea conceptiei structural functionale si a modelelor functionale de echipamente de microîmbinare cu microplasmă la nivelul cerintelor tehnice actuale,- tehnică PWM, interfata cu sisteme de comanda si programare in tehnică digitala, logistică pentru legatura seriala PC cu înalt grad de rezolutie, sisteme de poziţionare de precizie, conferă programului de cercetare dezvoltare un grad de noutate ridicat pentru producţia interna si concordanţa cu programele actuale de dezvoltare inovativa de noi echipamente si tehnologii de microîmbinare a materialelor in plan international.

14

Anexe:

1. Aceasta figura prezinta o Instalatie de taiere cu jet de plasma a materialelor compozite

1. electrod de wolfram; 2. duza; 3. amestecul de gaze; 4. sistem de racire cu apa; 5. jet de plasma; 6. materialul de taiat; 7. calculator electronic.

La taierea cu jet de plasma, datorita concentratiei mari de energie intr-un spatiu restrans, se pot atinge temperaturi foarte inalte sub un puternic efect de suflu. Materialul piesei este incalzit pana la topirea unui strat, dupa care se sufla din taietura cu jetul de plasma. La grosimi ale pieselor mai mari de 10 mm, jetul de plasma este inlocuit de un arc de plasma (caldura degajata in sectiunea taieturii este mai mare).Jetul de plasma este utilizat din ce in ce mai mult la taierea otelurilor bogat aliate, a metalelor neferoase si chiar a materialelor nemetalice. Se pot utiliza drept gaze plasmogene: argon, azot, hidrogen, heliu. Folosindu-se generatoare de plasma cu puteri instalate de pana la 150 kW se pot taia materiale care, in cazul otelurilor, ajung pana la 120 mm grosime, iar pentru aluminiu pana la 125 mm.

Jetul de plasma 5 actioneaza asupra materialului de taiat 6, pozitionarea si deplasarile sx, sy, sz si rotirea wz, necesare decuparii conturului dorit putand fi realizate manual, sau automat cu ajutorul calculatorului 7.Principalii parametri ai instalatiei de taiere cu plasma sunt: viteza de taiere, intensitatea si tensiunea curentului electric in arcul de plasma, natura si debitul gazului plasmogen.Stabilirea valorilor acestor parametri se face in functie de natura materialului prelucrat, grosimea semifabricatului, calitatea impusa suprafetei, productivitatea impusa, precizia dimensionala si forma geometrica cerute.Grosimea semifabricatului debitat cu jet de plasma poate fi de pana la 60...80 mm si chiar mai mult. De retinut insa ca, o data cu cresterea grosimii semifabricatului debitat, cresterea densitatii de curent nu mai conduce la o crestere proportionala a vitezei de taiere. Aceasta se datoreaza faptului ca o mare parte a energiei termice este consumata la extinderea zonei influentata termic care, pentru un rost de taiere b = 1,5 mm, poate capata o extindere de 0,24 mm.Plasmatroanele care folosesc gaze plasmogene biatomice (N2, H 2, O 2) asigura taierea de calitate a semifabricatelor din materiale metalice (cu precadere a otelurilor inalt aliate,

15

refractare si inoxidabile, aliajelor de aluminiu, cupru, titan) si compozite cu matrice metalica sau din mase plastice ( termoplastice, termorigide, elastomere).Printre defectele specifice taierii cu jet de plasma se mentioneaza: rotunjirea muchiilor datorita taierii cu o putere prea mica a generatorului de plasma; rugozitatea mai mare pe una dintre suprafetele rezultate prin taiere, ca urmare a efectului turbionar al jetului de plasma; aparitia de bavuri pe partea opusa a zonei taiate si improscari de material, sub forma de stropi, ca urmare a taierii cu viteze prea mari; formarea unor zone influentate termic in care, sub actiunea tensiunilor termice si remanente pot aparea fisuri, crapaturi.Pentru prelucrarea pieselor din otel carbon cu grosimi de pana la 75 mm se pot utiliza, in locul gazului inert, aer sau oxigen. Calitatea taieturii cu jet de plasma este cel putin tot atat de buna ca si cea realizata prin taierea oxiflacara, insa cu o zona influentata termic mai mica, de cel mult 1,5 mm. Precizia taieturii este de 1,5 mm.

2. Schema de principiu a unui generator de plasma:

1 - electrod de wolfram; 2 - jet de gaz; 3 - ajutaj de cupru; 4 - jet de plasma; 5 - piesa supusa prelucrarii; 6 - sursa de curent continuu.

Prelucrarea prin eroziune cu plasma: Plasma este un gaz sau un amestec de gaze puternic ionizat (compus din molecule, atomi, ioni si electroni) si cvasineutru din punct de vedere electric. Se caracterizeaza prin: conductivitate electrica mare, capacitate de interactionare cu campurile electrice si magnetice, permanenta sursa de radiatii electromagnetice cu spectru larg (infrarosu, vizibil, ultraviolet). Natura mediului gazos, gradul de ionizare si de recombinare determina temperatura plasmei, care variaza in limite foarte largi. Deosebim astfel plasma de temperatura scazuta, de aproximativ 103 0K si plasma nucleara, pana la 108 0K, definita de unii autori ca fiind a patra stare de agregare a substantelor, cu implicatii directe in descoperirea a noi surse de energie.In domeniul constructiilor de masini se foloseste plasma de 6000...300000K, obtinuta in urma unor descarcari electrice in mediu gazos prin arc, prin scantei sau latente. Plasma se obtine in generatoare de plasma, numite si plasmatroane, in care coloana arcului electric este obligata, sub actiunea unui jet de gaz, sa treaca printr-un spatiu limitat de orificiu unei duze.

Arcul electric se formeaza intre un electrod de wolfram 1 si piesa supusa prelucrarii 5. Arcul provoaca ionizarea gazului si va fi suflat in afara sub forma unui jet

16

de plasma 4 pe suprafata piesei unde va produce erodarea acesteia, rezulta^nd piesa prelucrata. Plasmatronul este un ajutaj de cupru 3 racit fortat cu apa.Generatoarele de plasma pot functiona, dupa modul in care se realizeaza descarcarea, in doua variante:

- cu arc cu plasma ( arcul arde intre electrodul - catod si piesa anod trecand prin duza) - generator tip Plasmarc;

- cu jet de plasma (arcul arde intre electrodul - catod si duza - anod, plasma fiind suflata de catre presiunea gazului sub forma de jet) - generator tip Plasma - Plating.Sistemul de alimentare cu gaz plasmogen consta din butelii de presiune inalta in care se afla inchis gazul de lucru; argon, hidrogen azot, heliu, kripton sau amestecuri ale acestora.

Sursa de alimentare cu energie electrica are, in functie de generatorul utilizat, puteri de pana la 105 W si tensiunea necesara arcului de plasma de 200 - 250 V.Prelucrarea dimensionala se obtine in urma operatiei de taiere, cilindrare exterioara, filetare, metalizare. Se pot prelucra cu plasma otelurile inoxidabile, otelurile manganoase, aliajele de titan, cuprul, magneziul, aluminiul si aliajele lor, fonta si deseurile toxice ale industriei chimice (prin transformare in produse marfa).

17

Bibliografie:

1. Dehelean, D. « Sudarea prin topire » Ed. Sudura. Timisoara, 1997.

2. Welding Handbook, Volume 2, American Welding Society, 1995.

3. "Draucelates, U., Helmich A, Bartzsch J."A low –Energy Joining Technique for Sheet Metal", Welding Journal No3, Martie 2002

4. Mihaela PASCU, Voicu SAFTA « Elemente ale monografiei sudării in Romania,1998

5. "Inovations in welding technology in 2000" Welding&Cutting, No.6,2001

6. “Plasmă brazing process keeps zinc on galvanized scheet”, Advanced Materials&Processes, October 2000, pg.24-25. www.vw.com

7. Ekard, F Francouer, M. "The future is now" Joining Technologies, LLC. www.joiningtech.com

8. Cssidy, V. "GB-264 Welding Equipment and Supplies" www.BussinessCommunications Company,Inc.

9. Lucăs, W “Computer technology in welding”

10."Welding Machinerry – A global Strategic Bussiness Reprort",Mai 2000 www.mindbranch.com

11."TWI projects carried out for electronics,photonics,sensors, and medical sectors" www.twi.co.uk

12. "Microjoining Technologies" www.Edison Welding Institute

13. www. Edison Welding Institut

14. www. Paton Welding Journale

18

19