Teoria proceselor de sudare

2. SURSE TERMICE UTILIZATE LA SUDARE

Sursele termice utilizate la realizarea mbinrilor sudate au o diversitate mare de caracteristici, att sub aspectul repartiiei n timp i spaiu a energiei, ct i a aciunilor fizico-chimice pe care la exercit asupra componentelor. Astfel, fiecare tip de surs termic utilizat la sudare mai are pe lng aciunea termic o serie de alte efecte favorabile sau defavorabile proceselor de sudare. De exemplu, flacra oxigaz sau amestecurile de gaze din atmosferele protectoare, pot aciona prin presiunea lor dinamic, deformnd suprafaa plan a bii metalice, sau pot modifica structura i compoziia chimic a sudurii datorit aciunii metalurgice.

n cazul surselor termice care se bazeaz pe efectul termic al curentului electric, cantitatea de cldur degajat este nsoit i de fenomene magnetice, acustice etc., fenomene dinamice care au o aciune puternic asupra fronturilor de cristalizare, asupra mrimii cristalelor formate la solidificarea bii metalice de sudur, asupra cantitii de gaze dizolvate n sudur. Dac asupra mbinrii sudate mai acioneaz, n afara surselor termice, i fore exterioare prevzute tehnologic (la sudarea prin presiune, prin frecare, prin difuzie etc.) iar pierderile de cldur n mediul nconjurtor sunt difereniate, modificrile care intervin asupra calitii mbinrilor sunt i mai evidente. De aici, i calitatea mbinrilor sudate realizate prin diferite procedee de sudare este diferit, chiar dac sunt utilizate energii termice identice avnd o repartizare echivalent.

Sursele termice pot fi caracterizate i prin durata lor de activitate:

-surse instantanee, care acioneaz un timp extrem de scurt. De exemplu: punctele de sudur realizate la sudarea prin presiune, la agrafarea punctiform cu arcul electric, surse termice utilizate la lipirea plcuelor dure cu ajutorul curenilor de nalt frecven;

-surse permanente, care au o durat de activitate mai mare. O surs de cldur este permanent i constant dac perioada ei de activitate depete momentul n care bilanul energetic devine staionar, adic energia degajat este egal cu energia pierdut n spaiul nconjurtor. Exemple: arcul electric, flacra oxigaz utilizate la realizarea unor cordoane avnd lungime relativ mare.

De asemenea, sursele termice sunt caracterizate i prin forma pe care o dein: punctiforme, liniare, plane i volumice. Astfel, poate fi considerat ca surs punctiform orice surs ale crei dimensiuni se pot neglija n raport cu dimensiunile piesei pe care o nclzete (de exemplu: arcul electric de la sudarea manual cu electrozi nvelii; punctul realizat la sudarea prin presiune sau la electronituire). Ca surs liniar se poate considera un cordon de sudur cu lungime finit, sudat rapid, iar ca surs plan, flacra oxigaz care nclzete o suprafa plan.

Indiferent de forma i dimensiunile lor, sursele termice pot fi fixe sau mobile n raport cu piesele pe care le nclzesc.

Cea mai important caracteristic a surselor termice utilizate la sudare este repartizarea spaial a energiei, care determin bilanul energetic al procedeului de sudare, calitatea i forma mbinrilor sudate, precum i consumurile specifice de materiale, respectiv costul mbinrii. De asemenea, prezint importan energia liniar a sursei termice care reprezint raportul dintre puterea termice P utilizat la sudare i viteza de sudare vs.

2.1. ARCUL ELECTRICLa procedeele de sudare cu arc, cldura necesar este produs de un arc electric (sau mai multe), acestea putnd arde ntre un electrod i piesa de sudat.

Prin definiie, arcul electric de sudare este o descrcare electric ntre doi electrozi sub tensiune, descrcare ce are loc ntr-un amestec de gaze i vapori de metal. Pentru a se produce descrcarea electric este necesar ca n coloana gazoas dintre electrozi s existe particule ncrcate cu sarcini electrice; n caz contrar, gazul nu este bun conductor de electricitate. Aceasta se obine prin ionizarea gazului, fenomen care const n crearea unor particule ncrcate cu sarcini electrice libere (electroni, ioni pozitivi, ioni negativi); ionizarea gazului se produce datorit temperaturii mari a arcului electric.

Clasificarea arcului electric se face dup mai multe criterii, dup cum urmeaz.

Dup tipul arcului, se deosebesc:

-arc deschis, care arde n aer amestecat cu vapori provenii din metalul electrodului i din metalul de baz, precum i cu vapori i gaze provenite din nveliul electrodului (fig. 2.1);

-arc acoperit, care arde sub strat de material protector; n acest caz metalul topit este acoperit i izolat de influena direct a aerului (fig. 2.2);

-arc protejat, care se menine ntr-o atmosfer de gaze care protejeaz metalul topit de aciunea direct a aerului (fig. 2.3); ca gaze protectoare se utilizeaz Ar, He, H2, N2, CO2 sau diferite amestecuri ale acestora;

-arc constrns, care arde ntr-o atmosfer de gaze de protecie i este obligat s treac printr-un ajutaj ngust, din care iese sub forma unui jet cu temperatura foarte ridicat (numit i jet de plasm) fig. 2.4.

Fig. 2.1. Arcul electric deschis

1 electrod; 2 arc electric; 3 metal de baz; 4 baie de metal lichid;5 cordon sudur; 6 zgur solidificat

Fig. 2.2. Arcul electric acoperit

1 srm-electrod; 2 strat de flux; 3 zgur topit; 4 metal de baz;5 arc electric; 6 baie de metal topit; 7 cordon de sudur;8 zgur solidificat

a.

b.

Fig. 2.3. Arcul electric protejat

a procedeul WIG: 1 electrod nefuzibil; 2 arc electric;3 metal de baz; 4 vergea de material de adaos

b procedeul MIG/MAG: 1 - srm-electrod; 2 arc electric;3 metal de baz; 4 baie de metal topit; 5 gaz protector

Fig. 2.4. Arcul electric constrns

1 arc electric (arc de plasm); 2 metal de baz; 3 electrod nefuzibil4 gaz plasmagen; 5 gaz de protecie

Dup felul arcului electric, se deosebesc:

- arc cu aciune direct;

- arc cu aciune indirect (independent).

Arcul cu aciune direct arde ntre electrod i pies, iar cel cu aciune indirect ntre doi electrozi, fr ca piesa s fie introdus n circuitul electric (fig. 2.5).

Fig. 2.5. Arcul electric indirect

1- arc electric; 2 perdea de gaze; 3 metal de baz; 4 electrod; 5 - vergea

Dup materialul electrodului:

- arc electric cu electrod metalic fuzibil;

- arc electric cu electrod nefuzibil (din crbune sau W).

Dup natura curentului electric:

- arc electric de c.a.;

- arc electric de c.c.La curent continuu, electrodul poate fi anod dac este legat la polul pozitiv al sursei de curent (polaritate invers c.c.+) sau catod, dac este legat la polul negativ (polaritate direct c.c.-). La curent alternativ, rolul de catod i anod alterneaz ntre electrod i pies, iar n timpul unei perioade de alternare, curentul trece de dou ori prin valoarea zero, adic arcul se stinge i se reaprinde periodic, n funcie de frecvena curentului.

Amorsarea (aprinderea) arcului electric este posibil cu sau fr contactul direct al electrodului cu piesa. Dac este asigurat o nclzire intens a spaiului dintre electrod i pies (prin atingerea de scurtcircuitare), are loc amorsarea arcului n momentul ndeprtrii electrodului de pies. n cazul n care ntre electrod i pies este asigurat o tensiune superioar tensiunii de strpungere a mediului gazos, se obine arc electric fr contactul direct (la instalaiile de sudare WIG i cu plasm).

2.1.1. Zonele arcului electricArcul electric are urmtoarele zone caracteristice (fig. 2.6):

- zona catodic (Zc);

- zona anodic (Za);

- coloana arcului (Lca).

n procesul de ardere, pe electrod i pe metalul de baz se formeaz pete active, denumite pat catodic, pentru catod (1) i pat anodic, pentru anod (2).

Fig. 2.6. Zonele arcului electric

1 pata catodic; 2 pata anodic; Zc zona catodic; Za zona anodic;Lca coloana arcului; La lungimea arcului

Pata catodic este sursa de emisie de electroni liberi. Emisia de electroni a catodului este favorizat de vrfurile microscopice ale asperitilor superficiale, de anumite fee ale cristalului metalic i de unele impuriti ale suprafeei, ceea ce produce variaii mari ale densitii de curent. Temperatura catodului este apropiat de temperatura de fierbere a materialului electrodului (circa 3500(C pentru fier). n pata catodic se degaj circa 36% din cantitatea total de cldur a arcului, iar cderea de tensiune (Uc) este de 10-16V.

n cazul electrozilor nefuzibili, arcul electric pate forma pat catodic (electrod ascuit, cu lungime liber redus i cureni mici), dar poate exista i fr pat catodic (electrod supranclzit , cu vrf rotunjit i lungime liber mare, parcurs de cureni inteni).

Pata anodic este supus bombardamentului de electroni. Ea are aproximativ aceeai temperatur cu pata catodic, dar datorit impactului produs de jetul de electroni degaj o cantitate mai mare de cldur (circa 43% din cantitatea total). Cderea de tensiune, Ua, la anod reprezint 6-8V.

Coloana arcului reprezint zona dintre electrod i pies, i atinge temperatura de circa 6000(C. n ea are loc transferul de electroni i ioni i se degaj circa 21% din cantitatea total de cldur. Cderea de tensiune, Uca, crete odat cu creterea lungimii arcului i reprezint 6-8 V.

Lungimea arcului La poate fi variabil i reprezint distana dintre suprafaa captului electrodului i suprafaa bii de sudur. Arcului este normal atunci cnd lungimea sa este aproximativ egal cu diametrul electrodului La ( de. Cnd lungimea arcului La > de se spune c se sudeaz cu arc lung, respectiv cu arc scurt cnd La < de.

2.1.2. Fazele amorsrii arcului electric

Modul de aprindere (amorsare) al arcului electric de sudare este reprezentat n figura 2.7. Electrodul legat la una din bornele sursei de sudare (de exemplu la cea negativ) este adus n contact cu piesa legat la cealalt born a sursei (fig. 2.7.a). Curentul de scurtcircuit fiind mare, se produce o nclzire local puternic ce duce la topirea captului electrodului i a materialului de baz din zona respectiv (fig. 2.7.b). Prin ndeprtarea electrodului de pies, puntea metalic ce le-a unit se ntinde, seciunea se reduce, iar temperatura metalului se ridic i mai mult (fig. 2.7.c). n momentul ruperii punii metalice lichide se produce o fierbere a metalului, dup care n vaporii metalici uor ionizabili apare arcul electric (fig. 2.7.d).

Fig. 2.7. Etapele amorsrii arcului electric

Transferul metalului prin arc se face ntotdeauna de la electrod spre pies, indiferent de poziia de sudare i de polaritatea curentului. De regul, picturile de metal lichid cad n baia de sudur datorit forei gravitaionale. Forele care contribuie la trecerea metalului prin arcul electric nu se bazeaz numai pe greutatea proprie a picturilor de metal topit; mai importante sunt forele provenite din tensiunea superficial a metalului lichid i cele cauzate de efectele electromagnetice, deoarece ele permit chiar nvingerea forei gravitaionale i posibilitatea depunerilor de metal topit la poziii diferite de orizontal.

Un rol important l joac aa-numitul efect (Pinch( (fig. 2.8), care const n proprietatea curentului electric de a restrnge la minimum seciunea conductorului prin care curge. n aceast situaie apare o tendin de gtuire a metalului topit, pn cnd trangularea ajunge la o anumit limit; densitatea de curent crete local foarte mult producndu-se o explozie de metal supranclzit, care proiecteaz picturile de metal spre pies.

Fig. 2.8. Efectul (Pinch( care contribuie la transferulmetalului topit prin arc

Ali factori care mai pot contribui la transferul metalului sunt: formarea unui jet de plasm; presiunea gazelor i a fasciculelor de gaze; reacii chimice, precum i forele centrifuge produse de micri rotative ale arcului electric.

2.1.3. Transferul materialului de adaos prin arcul electric

Trecerea materialului de adaos spre baia metalic se face prin topirea captului vergelei de material care urmeaz a fi depus, urmat de atingerea lui intermitent cu baia de sudur.

Echipamentele de sudare cu arc electric se construiesc cu caracteristici bine definite din punct de vedere al transferului de metal prin arc. Pentru stabilirea corect a modului de transfer trebuie s se regleze corect tensiune i curentul de sudare i s se aleag corect diametrul srmei electrod i lungimea ei liber. Modul de transfer depinde de asemenea i de gazul de protecie sau amestecul de gaze care se utilizeaz n procesul de sudare.

n practic se ntlnesc urmtoarele moduri de transfer:

a. Transferul pulverulent se face n picturi fine, asemntor unui jet pulverizat dirijat i cu mprocri relativ mici. Acest tip de transfer se poate face:

- normal (fig. 2.9.a) caracteristic sudrii manuale cu electrozi nvelii i sudrii sub strat de flux;

- filiform (fig. 2.9.b) caracteristic sudrii n mediu de Ar;

- excentric (fig. 2.9.c) caracteristic sudrii n mediu de CO2.

Fig. 2.9. Transferul pulverulent

b. Transferul globular este ntlnit la sudarea cu arc lung (tensiune mare), cu intensiti de curent relativ mari i densiti de curent reduse (srme groase). Transferul se face n picturi neregulate, fr scurtcircuitarea arcului. Se deosebesc dou tipuri de transfer globular:

- cu picturi normale (fig. 2.10.a);

- cu picturi excentrice (fig. 2.10.b).

Fig. 2.10. Transferul globular

n primul tip de transfer, caracteristic sudrii manuale cu electrozi nvelii cu arc lung, picturile cad axial spre pies, iar n cazul celui de-al doilea, caracteristic sudrii n mediu de CO2 cu srme groase i cureni mari (> 500 A), picturile sunt apsate de jos n sus de presiunea gazelor din coloana arcului.

c. Transferul prin scurcircuit, sau prin contact, este o variant a transferului n picturi mari, ntlnit n cazul sudrii cu arc scurt, cnd pictura de metal face periodic o punte de scurcircuit ntre electrod i pies. n figura 2.11 sunt prezentate caracteristicile acestui tip de transfer.

Iniial, acest mod de transfer era utilizat la sudarea manual cu electrozi nvelii, n poziiile de sudare pe plafon i pe vertical. n prezent se utilizeaz pentru sudarea n medii protectoare de gaze i, mai ales pentru sudarea n mediu de CO2.

Fig. 2.11. Transferul prin scurcircuit

Fa de cele trei tipuri de baz, exist i aa-numitul transfer prin impulsuri, utilizat la sudarea n mediu de gaze protectoare, i este o combinaie a transferului pulverulent cu transferul globular (fig. 2.12). peste arcul de c.c. se suprapun impulsuri de c.a. cu frecvene de 25, 50 sau 100 Hz. ntre dou impulsuri de curent se formeaz o pictur de metal lichid care se desprinde brusc n momentul impulsului de curent i se ndreapt axial spre pies.

Fig. 2.12. Transferul prin impulsuri

2.1.4. Influena cmpului magnetic asupra arcului electric

Coloana arcului electric se comport ca un conductor electric fuzibili, care sub aciunea unui cmp magnetic se deplaseaz n funcie de direcia respectivului cmp. Datorit acestui fenomen arcul electric nu se mai produce ntre extremitatea electrodului i punctul din baie situat la cea mai mic distan de acesta. Datorit forelor magnetice, arcul i schimb lungimea i direcia, fenomenul avnd efecte negative asupra calitii sudurii. Aceast deplasare a arcului electric poart numele de (suflul magnetic al arcului(.

n procesul de sudare, n jurul electrodului, arcului i piesei se formeaz cmpuri magnetice care se influeneaz reciproc, rezultanta acestor cmpuri deviind arcul de la poziia normal (fig. 2.13). O influen mare asupra acestui fenomen o au masele de metale magnetice, lucru care se manifest n special la custurilor de col i la sudarea cap la cap a tablelor groase. Devierea arcului se face resimit de-a lungul custurilor (fig. 2.14), precum i la marginea pieselor care se sudeaz (fig. 2.15).

Fig. 2.13. Compunerea cmpurilor magnetice la sudarea cap la cap

Fig. 2.14. Devierea arcului de-a lungul mbinrii

Fig. 2.15. Devierea arcului la extremitile mbinrii

Fenomenul se produce la sudarea n c.c. La sudarea n c.a. efectul fenomenului se face foarte puin resimit.

Efectele suflului pot fi eliminate sau reduse prin urmtoarele metode:

-variaia nclinaiei electrodului (fig. 2.16);

-contactul de mas trebuie s se afle ct mai aproape de arcul electric;

-sudarea n direcia unei suduri deja executate;

-meninerea unui arc ct mai scurt posibil;

-executarea punctelor de prindere ct mai dese;

-n cazul unor ansamble cu mase feromagnetice dispuse asimetric se recomand amplasarea temporar a unor mase n partea opus masei care formeaz piesa propriu-zis, astfel nct s se creeze un cmp magnetic uniform.

Fig. 2.16. Eliminarea devierii arcului prin nclinarea electrodului

2.2. ARCUL ELECTRIC CONSTRNS (PLASMA TERMIC)Plasma este un gaz puternic disociat i ionizat compus dintr-un amestec de electroni, ioni pozitivi i atomi, coninnd circa 109 particule electrizate ntr-un cm3. Generarea plasmei se produce ca urmare a trecerii unui gaz sau amestec de gaze prin spaiul unui arc electric de c.c. (fig. 2.17).

Fig. 2.17. Schema de generare a plasmei cu arc electric de c.c.

n prima faz se amorseaz arcul pilot 3 ntre catodul 1 i anodul duz 2, cu ajutorul unei rezistene reglabile 4. Trecnd prin spaiul arcului pilot un gaz sau amestec de gaze plasmagene de debit D, acesta se va ioniza formnd jetul de plasm 5. Gradul de ionizare al jetului de plasm depinde de valoarea curentului ce parcurge rezistena reglabil 4.

n practic se ntlnesc modele de constrngere a arcului electric normal, cu ajutorul cmpurilor magnetice sau prin mijloace mecanice metoda de trecere forat a arcului electric printr-un orificiu cu seciune redus, practic ntr-o pies intens rcit cu ap sau metoda de constrngere a arcului electric cu ajutorul jeturilor fluide.

n procesele de sudare i conexe sudrii, sunt utilizate metode combinate de constrngere a coloanei arcului electric, necesare producerii plasmei termice, la care este aproape nelipsit constrngerea prin ajutaje.

Principalele caracteristici ale plasmei termice sunt:

-plasma termic se dezvolt de obicei ntr-un gaz insuflat prin presiune n spaiul dintre electrozi, pe cnd arcul normal are ca mediu de ionizare gaze i vapori la parametrii atmosferici;

-viteza purttorilor de sarcin din plasma termic este influenat att de tensiunea aplicat ntre electrozi, ca i la arcul electric normal, dar mai cu seam de viteza de ieire a gazelor sub presiune prin ajutaj;

-plasma termic este puternic trangulat mecanic i electromagnetic, pe cnd arcul normal se poate dezvolta liberi odat cu creterea curentului.

Temperatura din axul coloanei este maxim; pe msur ce plasma prsete ajutajul i se ndeprteaz temperatura ei scade.

Transferul de cldur din coloana de plasm spre piesa prelucrat difer n funcie de gazul utilizat. n cazul gazelor care au o entalpie specific mai mare la o temperatur dat, eficiena termic este mai mare, pentru c ele cedeaz mai mult cldur fr s-i scad mult temperatura. i sub acest aspect, gazele biatomice sunt mai avantajoase dect cele monoatomice, deoarece la o temperatur ridicat, pe lng energia de ionizare, ele mai dein i cldura de disociere. Dintre gazele biatomice, hidrogenul are entalpia specific cea mai mare. Cu toate acestea el se utilizeaz numai ca adaos n gazele plasmagene, pn la 10%, deoarece nrutete amorsarea i stabilitatea plasmei, iar n jurul temperaturii de 4000(K coeficientul de transmitere a cldurii pentru hidrogen prezint un maxim, ceea ce poate provoca deteriorarea ajutajului prin care trece plasma.

Stabilitatea plasmei poate fi influenat i de parametrii de stare ai gazelor plasmagene de micarea gazelo prin ajutaj, corelat ci geometria ajutajului i cu parametrii electrici. Cu ct plasma este mai stabil, cu att durabilitatea ajutajului este mai mare, iar concentrarea plasmei este mai intens. Durabilitatea ajutajului poate fi mrit dac se aplic o concentrare magnetic a plasmei sau o trecere elicoidal a gazelor plasmagene prin ajutaj. Turbionarea plasmei poate fi utilizat numai la instalaiile de tiere pentru c n cazul sudrii, gazele turbionate pot antrena i aerul nconjurtor, impurificnd baia de sudur.

Distrugerea ajutajului i dereglarea generrii plasmei se poate produce i prin apariia arcului secundar. La grade mari de constrngere a plasmei, rezistena electric a coloanei de plasm crete, iar curentul electric prefer s treac prin spaiile care au o rezisten electric total mai redus, i se formeaz arcul secundar care distruge ajutajul. Prin corelarea parametrilor constructivi i funcionali, arcul secundar perturbator poate fi evitat.

n cazul arcului de plasm, chiar pentru puteri mari i ajutaje cu diametrul redus, concentrarea plasmei se pstreaz numai pe o anumit lungime a coloanei, dup care are loc o dispersie a energiei i o scdere a temperaturii. La creterea puterii generatorului de plasm se impune creterea diametrului ajutajului, care corespunde cu creterea inutil a volumului de metal topit i cu scderea randamentului global. Din acest motiv, creterea puterii generatoarelor de plasm este limitat, ca i grosimea materialului care poate fi tiat eficient (maxim 140-150 mm pentru oelurilor Cr-Ni).

Plasma termic poate fi utilizat i la sudare sau metalizare sub forma jetului de plasm. Deoarece n acest caz, descrcarea electric are loc ntre electrodul nefuzibil i ajutajul din cupru rcit cu ap, puterea instalaiilor cu jet de plasm este limitat de posibilitile de protejare a ajutajului mpotriva topirii i este ntotdeauna inferioar puterii instalaiilor cu arc de plasm.

2.3. FASCICULUL DE PARTICULEFasciculele utilizate ca surse termice pentru nclzirea i topirea materialelor sunt fascicule de electroni sau ioni, accelerai ntr-un cmp electric intens. Ca surs de electroni se utilizeaz un tun electronic, iar pentru producerea ionilor pot fi utilizate sursele de ioni cu plasm. Accelerarea fasciculelor de particule se realizeaz n spaii vidate astfel nct energia cinetic a particulelor s nu se risipeasc prin ciocniri cu moleculele de gaze. Astfel, n instalaiile cu fascicul de electroni presiunea n spaiul vidat este ntre 10-4-10-6 torr, pe cnd la sursele de ioni, care au o mas mai mare, presiunea este i mai mare, 10-2 torr, motiv pentru care fenomenul de convecie termic este inexistent, iar eventualele impurificri cu gaze ale metalului sunt reduse i pot fi neglijate.

Concentrarea energiei fasciculelor se realizeaz cu ajutorul lentilelor magnetice i electrostatice. Suprafaa minim pe care poate fi concentrat fasciculul de electroni este de 10-7 cm2, respectiv 10-6 cm2 pentru fasciculul de ioni. Datorit concentrrii mari a puterii fasciculului de electroni se pot realiza printr-o singur trecere suduri fr material de adaos pe componente cu grosime de pn la 300 mm (viteza de sudare = 15-20 m/min). Datorit energiei liniare reduse (= 3-10% din energia liniar utilizat la sudarea manual cu electrozi nvelii), raportul dintre adncimea de ptrundere i limea sudurii (coeficientul de suplee) are valori de pn la 50:1, fiind net superior comparativ cu alte procedee de sudare. Prin aceasta se reduce substanial limea ZIT-ului, iar tensiunile i deformaiile introduse prin sudare cu fascicul de electroni sunt mult mai reduse dect la alte procedee de sudare.

Forma sursei termice produse de impactul fasciculului electronic cu un metal depinde de puterea specific a fasciculului (fig. 2.18).

Fig. 2.18. Influena puterii fasciculului de electroni asupra sudurii

Pentru puteri specifice reduse (fig. 2.18.a) se produce o topire punctiform superficial a materialului. Prin creterea puterii specifice are loc o supranclzire a bii metalice i o adncire a ei (fig. 2.18.b) datorit transmiterii cldurii spre materialul de baz prin conductivitate termic; concomitent are loc o vaporizare intens a metalului topit. Mrirea n continuare a puterii specifice conduce la vaporizri instantanee att de intense nct se formeaz un crater capilar (fig. 2.18.c, d) n care se gsesc vapori metalici. Diametrul craterului capilar este egal cu diametrul fasciculului, iar n jurul craterului se formeaz o pelicul inelar de metal topit. Odat cu formarea craterului, care are o form conic, accesul fasciculului de electroni este tot mai profund, iar supranclzirea peliculei de metal topit datorit radiaiei este tot mai intens. n partea extrem a craterului, unde are loc impactul electronic, temperatura poate atinge valoarea de 3500(C.

Asupra unui element de volum din pelicula topit de metal acioneaz fore statice i fore dinamice, din aciunea acestor fore interdependente rezultnd configuraia nveliului topit, deci geometria craterului capilar. La puteri specifice de 105-107 W/cm2, craterul poate fi considerat cilindric, iar sursa termic liniar; la puteri specifice de 108 W/cm2 se produce o eliminare exploziv a metalului topit i o strpungere a materialului pe toat grosimea sa (perforare).

n cazul fasciculelor de ioni fenomenele sunt mai complexe. n impactul dintre ionii grei i corpul solid se evideniaz emiterea de electroni i pulverizarea catodic, specific ionilor rapizi. Datorit pulverizrii catodice, fasciculele de ioni pot fi utilizate la perforri sau tieri de mare precizie, fr a fi nsoite de topirea marginilor sau de nclzire intens. n funcie de energia i concentrarea fasciculului de ioni se pot obine i efecte termice cu utilizare practic (sudarea, tierea, implantarea cu ioni etc.).

2.4. FASCICULUL DE FOTONIFasciculul de fotoni (laserul) reprezint cea mai concentrat surs termic utilizat, avnd puteri specifice de 109 W/cm2. Puterea fasciculelor laser utilizate la sudare este cuprins ntre 2-10 kW. Fasciculele laser cu puterea de peste 20 kW nu au practic eficien datorit costului ridicat i a funcionrii incomode, fiind preferate fasciculelor de particule.

Sub aspectul randamentului energetic, instalaiile laser sunt deficitare deoarece numai o mic parte a energiei consumate este transformat n energie a fasciculului. Din energia fasciculului numai o parte, care depinde de starea suprafeei i de lungimea de und este reflectat (1-41%). Pentru micorarea pierderilor de energie prin reflexie se recomand tratarea superficial a pieselor (acoperiri cu straturi absorbante metalice sau nemetalice, mrirea rugozitii suprafeelor).

Avantajele utilizrii laserului ca surs termic sunt:

-concentrarea maxim a energiei;

-dirijarea fasciculului spre locuri inaccesibile, fr pericolul devierilor sau dispersrilor;

-nu necesit meninerea piesei n vid;

-nu produce radiaii X.

Dezavantaje:

-randament sczut;

-cost ridicat al instalaiei.

2.5. REZISTENA ELECTRIC VOLUMIC I DE CONTACTnclzirea pieselor n vederea sudrii se poate realiza i prin efectul Joule al curentului electric, care se manifest att n volumul pieselor strbtute de curent, ct i la locul de contact electric.

Introducerea curentului electric n componente se poate face direct, prin intermediul unor piese de contact avnd conductibilitate electric bun (aliaje din Cu), sau indirect cu ajutorul inductorilor amplasai n vecintatea zonei care necesit nclzirea. Dac se urmrete nclzirea volumic sunt necesare intensiti mari de curent i frecvene normale sau chiar sub 50 Hz, iar dac se urmrete numai nclzirea superficial sau a zonei de contact dintre componente pot fi utilizate intensiti mai mici de curent i frecvene mai mari.

Odat cu creterea frecvenei f (Hz) a curentului de nclzire scade adncimea ( a stratului nclzit.

(2.1)

( - rezistivitatea materialului, (((m)

( - permeabilitatea magnetic a materialului

Limitarea nclzirii profunde se poate face prin utilizarea frecvenelor mari i a nclzirilor rapide (puteri mari aplicate ntr-un timp redus).

n multe situaii nclzirea volumic are loc concomitent cu nclzirea datorit rezistenei de contact dintre componente.

Caracteristicile principale ale surselor termice rezultate n rezistene electrice sunt:

-regimul nestaionar de producere a cldurii;

-energia poate fi localizat i dozat n material cu precizie;

-randamentul transferului termic n material raportat la volumul nclzit are valorile cele mai ridicate;

-posibiliti de nclzire rapid cu sau fr contact direct al piesei n circuitul electric.

2.6. BAIA DE ZGURBaia de zgur prezint o particularitate fa de celelalte surse termice utilizate la sudare prin faptul c agentul termic este un mediu lichid care topete att materialul de baz, ct i materialul de adaos. Agentul termic este un amestec de componeni minerali i se prezint sub forma fluxului de sudur. Prin topirea sa rezult o mas lichid denumit baia de zgur a crei temperatur se impune s fie superioar temperaturii de topire a metalelor care se sudeaz.

La trecerea curentului prin baia de zgur, care este un electrolit, se degaj o mare cantitate de energie termic. Prin reglarea intensitii curentului de sudare i a adncimii bii de zgur, care are rezistena electric R, se poate doza energia termic E necesar meninerii bii la temperatura recomandat.

(2.2)

O parte din energie este utilizat pentru nclzirea i topirea metalului de baz, a materialului de adaos, a unor cantiti topite de flux, iar o alt parte se pierde n patinele din cupru rcite cu ap i n atmosfera nconjurtoare.

(2.3)

Bilanul termic depinde de grosimea componentelor sudate, de geometria bii de zgur, precum i de proprietile termofizice ale materialelor care intervin n procesul de sudare.

Baia de zgur prezint unele particulariti, cum ar fi transferul termic prin convecie ntr-un mediu vscos, rcirea neuniform i diferenele mari de temperatur dintre diferitele puncte din zgura lichid. Zonele cele mai fierbini se gsesc la locul de contact al electrozilor cufundai n baia de zgur, precum i sub electrozi. Zonele cele mai puin calde ale bii se gsesc n imediata vecintate a patinelor din cupru rcite cu ap. Din acest motiv, n cazul sudrii componentelor cu grosime mare, la care diferenele de temperatur din baia de zgur sunt i ele mai mari, este indicat utilizarea mai multor electrozi sau a electrozilor oscilani fa de poziia vertical, cu opriri n poziia apropiat de patinele din cupru, astfel nct cmpul de temperatur din baia de zgur s devin ct mai uniform.

2.7. FLACRA DE GAZEFlacra de gaze se obine prin arderea unui curent de gaze sau vapori combustibili cu oxigenul. Arderea acestui amestec este o reacie chimic exoterm, rapid, care se manifest ntr-un spaiu limitat i vizibil.

Flacra este caracterizat printr-o vitez de propagare a frontului de ardere, numit vitez de ardere, va, care depinde de natura i condiiile de stare a gazelor, precum i de proporia amestecului cu oxigenul. Dac va = 10-15 m/s arderea este linitit, iar dac va > 100 m/s se spune c arderea este exploziv. n procesele de sudare se utilizeaz flacra cu ardere linitit.

Temperatura flcrii i volumul ei depind de mai muli factori: viteza de ardere, puterea caloric a gazului combustibil, volumul i natura produilor rezultai din ardere. De exemplu, acetilena, cu toate c are o putere caloric mic n raport cu alte gaze combustibile, se oxideaz ntr-un spaiu redus, produce o cantitate minim de vapori de ap, iar flacra este concentrat i fierbinte, fiind eficient la sudare.

Structura flcrii oxigaz i repartizarea temperaturilor n funcie de distana fa de ajutaj este prezentat n figura 2.19. Amorsarea reaciei de oxidare a acetilenei cu oxigenul insuflat (relaia 2.4) are loc n spaiul dintre zonele 1 i 3 care se numete, n ansamblu, flacra primar.

(2.4)

Fig. 2.19. Flacra oxigaz

1 zona de amestec neaprins (C2H2-O2); 2 nucleu luminos;3 zona reductoare; 4 flacra secundar

Produsele rezultate din flacra primar, avnd o temperatur ridicat, intr n reacie cu oxigenul din atmosfera nconjurtoare:

(2.5)

Volumul gazelor rezultate din aceast reacie este extins, iar zona de reacie se numete flacr secundar.

n practic, pentru a se produce arderea complet, se adopt un uor exces de oxigen, adic . Prin variaia lui (0 se poate obine o flacr carburant ((0 < 1) sau o flacr oxidant ((0 > 1,2). n primul caz, temperaturile sunt inferioare i are loc o alungire puternic a nucleului care devine luminos datorit carbonului liber incandescent. n cel de-al doilea caz, temperaturile ating valori superioare (3170(C) i are loc o scdere a lungimii flcrii.

Deoarece flacra oxigaz conine un volum mare de gaze n micare, pot apare o serie de factori care perturb repartiia calculat a densitii fluxului termic. Astfel, curenii de aer din mediu pot modifica repartiia energiei din flacr n timp i spaiu. De asemenea, proeminenele sau muchiile pieselor care sunt nclzite cu flacr, produc devieri ale traiectoriei gazelor. Acestea sunt nsoite de comprimri sau dilatri a gazelor din flacr, care provoac modificri ale coeficienilor de transfer termic i variaii de temperatur, att n flacr, ct i n piese. Din acest motiv, proeminenele i muchiile pieselor sunt supuse la supranclziri, cantitatea de gaze dizolvat n sudur crete, nrutind calitatea sudurii.

20

_1284887649.doc

+

-

-

+

-

+

-

+

a

b

c

d

_1328440130.doc

-

-

+

-

_1376728730.doc

a

b

c

_1376728943.doc

e-

e-

e-

e-

1600(C

1800(C

2600(C

3500(C

a

b

c

d

_1376740762.doc`

distana, (mm)

Temperatura, ((C)

2-5

300

500

1000

1200

2000

3000-3170

1

2

3

4

_1376741405.unknown

_1376741494.unknown

_1376735187.unknown

_1376728782.doc

+

-

Rezultanta cmpului magnetic

_1357984189.doc

G

ap

ap

1

3

2

4

5

D

_1358070730.unknown

_1358070834.unknown

_1358070660.unknown

_1328440938.doc

_1328438360.doc

a

b

_1328439985.doc

+

-

+

-

_1328438239.doc

a

c

b

_1328438291.doc

a

c

b

_1328344481.doc

Explozie (strangulare mare)

_1284799131.doc

2

3

1

4

4

5

5

_1284800487.doc

1

2

3

5

4

_1284806240.doc

Zc

Za

Lca

1

2

La

_1284800130.doc

4

3

1

2

5

_1284798270.doc

8

7

5

6

4

3

2

1

_1284798871.doc

1

3

4

2

_1284798123.doc

1

3

2

~

=

4

5

6