2. SURSE TERMICE UTILIZATE LA SUDARE

Sursele termice utilizate la realizarea îmbinărilor sudate au o diversitate mare de caracteristici, atât sub aspectul repartiţiei în timp şi spaţiu a energiei, cât şi a acţiunilor fizico-chimice pe care la exercită asupra componentelor. Astfel, fiecare tip de sursă termică utilizată la sudare mai are pe lângă acţiunea termică o serie de alte efecte favorabile sau defavorabile proceselor de sudare. De exemplu, flacăra oxigaz sau amestecurile de gaze din atmosferele protectoare, pot acţiona prin presiunea lor dinamică, deformând suprafaţa plană a băii metalice, sau pot modifica structura şi compoziţia chimică a sudurii datorită acţiunii metalurgice.

În cazul surselor termice care se bazează pe efectul termic al curentului electric, cantitatea de căldură degajată este însoţită şi de fenomene magnetice, acustice etc., fenomene dinamice care au o acţiune puternică asupra fronturilor de cristalizare, asupra mărimii cristalelor formate la solidificarea băii metalice de sudură, asupra cantităţii de gaze dizolvate în sudură. Dacă asupra îmbinării sudate mai acţionează, în afara surselor termice, şi forţe exterioare prevăzute tehnologic (la sudarea prin presiune, prin frecare, prin difuzie etc.) iar pierderile de căldură în mediul înconjurător sunt diferenţiate, modificările care intervin asupra calităţii îmbinărilor sunt şi mai evidente. De aici, şi calitatea îmbinărilor sudate realizate prin diferite procedee de sudare este diferită, chiar dacă sunt utilizate energii termice identice având o repartizare echivalentă.

Sursele termice pot fi caracterizate şi prin durata lor de activitate:- surse instantanee, care acţionează un timp extrem de scurt. De exemplu: punctele de

sudură realizate la sudarea prin presiune, la agrafarea punctiformă cu arcul electric, surse termice utilizate la lipirea plăcuţelor dure cu ajutorul curenţilor de înaltă frecvenţă;

- surse permanente, care au o durată de activitate mai mare. O sursă de căldură este permanentă şi constantă dacă perioada ei de activitate depăşeşte momentul în care bilanţul energetic devine staţionar, adică energia degajată este egală cu energia pierdută în spaţiul înconjurător. Exemple: arcul electric, flacăra oxigaz – utilizate la realizarea unor cordoane având lungime relativ mare.

De asemenea, sursele termice sunt caracterizate şi prin forma pe care o deţin: punctiforme, liniare, plane şi volumice. Astfel, poate fi considerată ca sursă punctiformă orice sursă ale cărei dimensiuni se pot neglija în raport cu dimensiunile piesei pe care o încălzeşte (de exemplu: arcul electric de la sudarea manuală cu electrozi înveliţi; punctul realizat la sudarea prin presiune sau la electronituire). Ca sursă liniară se poate considera un cordon de sudură cu lungime finită, sudat rapid, iar ca sursă plană, flacăra oxigaz care încălzeşte o suprafaţă plană.

Indiferent de forma şi dimensiunile lor, sursele termice pot fi fixe sau mobile în raport cu piesele pe care le încălzesc.

Cea mai importantă caracteristică a surselor termice utilizate la sudare este repartizarea spaţială a energiei, care determină bilanţul energetic al procedeului de sudare, calitatea şi forma îmbinărilor sudate, precum şi consumurile specifice de materiale, respectiv costul îmbinării. De asemenea, prezintă importanţă energia liniară a sursei termice care reprezintă raportul dintre puterea termice P utilizată la sudare şi viteza de sudare vs.

2.1. ARCUL ELECTRIC

La procedeele de sudare cu arc, căldura necesară este produsă de un arc electric (sau mai multe), acestea putând arde între un electrod şi piesa de sudat.

Prin definiţie, arcul electric de sudare este o descărcare electrică între doi electrozi sub tensiune, descărcare ce are loc într-un amestec de gaze şi vapori de metal. Pentru a se produce descărcarea electrică este necesar ca în coloana gazoasă dintre electrozi să existe particule încărcate cu sarcini electrice; în caz contrar, gazul nu este bun conducător de electricitate. Aceasta se obţine prin ionizarea gazului, fenomen care constă în crearea unor particule încărcate cu sarcini electrice libere (electroni, ioni pozitivi, ioni negativi); ionizarea gazului se produce datorită temperaturii mari a arcului electric.

Clasificarea arcului electric se face după mai multe criterii, după cum urmează.După tipul arcului, se deosebesc:- arc deschis, care arde în aer amestecat cu vapori proveniţi din metalul electrodului şi din

metalul de bază, precum şi cu vapori şi gaze provenite din învelişul electrodului (fig. 2.1);- arc acoperit, care arde sub strat de material protector; în acest caz metalul topit este

acoperit şi izolat de influenţa directă a aerului (fig. 2.2);- arc protejat, care se menţine într-o atmosferă de gaze care protejează metalul topit de

acţiunea directă a aerului (fig. 2.3); ca gaze protectoare se utilizează Ar, He, H2, N2, CO2 sau diferite amestecuri ale acestora;

- arc constrâns, care arde într-o atmosferă de gaze de protecţie şi este obligat să treacă printr-un ajutaj îngust, din care iese sub forma unui jet cu temperatura foarte ridicată (numit şi jet de plasmă) – fig. 2.4.

Fig. 2.1. Arcul electric deschis1 – electrod; 2 – arc electric; 3 – metal de bază; 4 – baie de metal lichid;

5 – cordon sudură; 6 – zgură solidificată

Fig. 2.2. Arcul electric acoperit

1 – sârmă-electrod; 2 – strat de flux; 3 – zgură topită; 4 – metal de bază;5 – arc electric; 6 – baie de metal topit; 7 – cordon de sudură;

8 – zgură solidificată

a.

b.Fig. 2.3. Arcul electric protejat

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

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

Fig. 2.4. Arcul electric constrâns1 – arc electric (arc de plasmă); 2 – metal de bază; 3 – electrod nefuzibil

4 – gaz plasmagen; 5 – gaz de protecţie

După felul arcului electric, se deosebesc:- arc cu acţiune directă;- arc cu acţiune indirectă (independentă).Arcul cu acţiune directă arde între electrod şi piesă, iar cel cu acţiune indirectă între doi

electrozi, fără ca piesa să fie introdusă în circuitul electric (fig. 2.5).

Fig. 2.5. Arcul electric indirect 1- arc electric; 2 – perdea de gaze; 3 – metal de bază; 4 – electrod; 5 - vergea

După materialul electrodului:- arc electric cu electrod metalic fuzibil;- arc electric cu electrod nefuzibil (din cărbune sau W).După natura curentului electric:- arc electric de c.a.; - arc electric de c.c.La curent continuu, electrodul poate fi anod dacă este legat la polul pozitiv al sursei de

curent (polaritate inversă – c.c.+) sau catod, dacă este legat la polul negativ (polaritate directă – c.c.-). La curent alternativ, rolul de catod şi anod alternează între electrod şi piesă, iar în timpul unei perioade de alternare, curentul trece de două ori prin valoarea zero, adică arcul se stinge şi se reaprinde periodic, în funcţie de frecvenţa curentului.

Amorsarea (aprinderea) arcului electric este posibilă cu sau fără contactul direct al electrodului cu piesa. Dacă este asigurată o încălzire intensă a spaţiului dintre electrod şi piesă (prin atingerea de scurtcircuitare), are loc amorsarea arcului în momentul îndepărtării electrodului de piesă. În cazul în care între electrod şi piesă este asigurată o tensiune superioară tensiunii de străpungere a mediului gazos, se obţine arc electric fără contactul direct (la instalaţiile de sudare WIG şi cu plasmă).

2.1.1. Zonele arcului electric

Arcul electric are următoarele zone caracteristice (fig. 2.6):- zona catodică (Zc);- zona anodică (Za);- coloana arcului (Lca).În procesul de ardere, pe electrod şi pe metalul de bază se formează pete active, denumite

pată catodică, pentru catod (1) şi pată anodică, pentru anod (2).

Fig. 2.6. Zonele arcului electric1 – pata catodică; 2 – pata anodică;

Zc – zona catodică; Za – zona anodică;Lca – coloana arcului; La – lungimea arcului

Pata catodică este sursa de emisie de electroni liberi. Emisia de electroni a catodului este favorizată de vârfurile microscopice ale asperităţilor superficiale, de anumite feţe ale cristalului metalic şi de unele impurităţi ale suprafeţei, ceea ce produce variaţii mari ale densităţii de curent. Temperatura catodului este apropiată de temperatura de fierbere a materialului electrodului (circa 3500C pentru fier). În pata catodică se degajă circa 36% din cantitatea totală de căldură a arcului, iar căderea de tensiune (Uc) este de 10-16V.

În cazul electrozilor nefuzibili, arcul electric pate forma pată catodică (electrod ascuţit, cu lungime liberă redusă şi curenţi mici), dar poate exista şi fără pată catodică (electrod supraîncălzit , cu vârf rotunjit şi lungime liberă mare, parcursă de curenţi intenşi).

Pata anodică este supusă bombardamentului de electroni. Ea are aproximativ aceeaşi temperatură cu pata catodică, dar datorită impactului produs de jetul de electroni degajă o cantitate mai mare de căldură (circa 43% din cantitatea totală). Căderea de tensiune, Ua, la anod reprezintă 6-8V.

Coloana arcului reprezintă zona dintre electrod şi piesă, şi atinge temperatura de circa 6000C. În ea are loc transferul de electroni şi ioni şi se degajă circa 21% din cantitatea totală de căldură. Căderea de tensiune, Uca, creşte odată cu creşterea lungimii arcului şi reprezintă 6-8 V.

Lungimea arcului La poate fi variabilă şi reprezintă distanţa dintre suprafaţa capătului electrodului şi suprafaţa băii de sudură. Arcului este normal atunci când lungimea sa este aproximativ egală cu diametrul electrodului La de. Când lungimea arcului La > de se spune că se sudează cu arc lung, respectiv cu arc scurt când La < de.

2.1.2. Fazele amorsării arcului electric

Modul de aprindere (amorsare) al arcului electric de sudare este reprezentat în figura 2.7. Electrodul legat la una din bornele sursei de sudare (de exemplu la cea negativă) este adus în contact cu piesa legată la cealaltă bornă a sursei (fig. 2.7.a). Curentul de scurtcircuit fiind mare, se produce o încălzire locală puternică ce duce la topirea capătului electrodului şi a materialului de bază din zona respectivă (fig. 2.7.b). Prin îndepărtarea electrodului de piesă, puntea metalică ce le-a unit se întinde, secţiunea se reduce, iar temperatura metalului se ridică şi mai mult (fig. 2.7.c). În momentul ruperii punţii metalice lichide se produce o fierbere a metalului, după care în vaporii metalici uşor ionizabili apare arcul electric (fig. 2.7.d).

Fig. 2.7. Etapele amorsării arcului electric

Transferul metalului prin arc se face întotdeauna de la electrod spre piesă, indiferent de poziţia de sudare şi de polaritatea curentului. De regulă, picăturile de metal lichid cad în baia de sudură datorită forţei gravitaţionale. Forţele care contribuie la trecerea metalului prin arcul electric nu se bazează numai pe greutatea proprie a picăturilor de metal topit; mai importante sunt forţele provenite din tensiunea superficială a metalului lichid şi cele cauzate de efectele electromagnetice, deoarece ele permit chiar învingerea forţei gravitaţionale şi posibilitatea depunerilor de metal topit la poziţii diferite de orizontală.

Un rol important îl joacă aşa-numitul efect Pinch (fig. 2.8), care constă în proprietatea curentului electric de a restrânge la minimum secţiunea conductorului prin care curge. În această situaţie apare o tendinţă de gâtuire a metalului topit, până când ştrangularea ajunge la o anumită limită; densitatea de curent creşte local foarte mult producându-se o explozie de metal supraîncălzit, care proiectează picăturile de metal spre piesă.

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

Alţi factori care mai pot contribui la transferul metalului sunt: formarea unui jet de plasmă; presiunea gazelor şi a fasciculelor de gaze; reacţii chimice, precum şi forţele centrifuge produse de mişcări rotative ale arcului electric.

2.1.3. Transferul materialului de adaos prin arcul electric

Trecerea materialului de adaos spre baia metalică se face prin topirea capătului vergelei de material care urmează a fi depus, urmată de atingerea lui intermitentă cu baia de sudură.

Echipamentele de sudare cu arc electric se construiesc cu caracteristici bine definite din punct de vedere al transferului de metal prin arc. Pentru stabilirea corectă a modului de transfer trebuie să se regleze corect tensiune şi curentul de sudare şi să se aleagă corect diametrul sârmei electrod şi lungimea ei liberă. Modul de transfer depinde de asemenea şi de gazul de protecţie sau amestecul de gaze care se utilizează în procesul de sudare.

În practică se întâlnesc următoarele moduri de transfer:a. Transferul pulverulent se face în picături fine, asemănător unui jet pulverizat dirijat şi cu

împroşcări relativ mici. Acest tip de transfer se poate face:- normal (fig. 2.9.a) – caracteristic sudării manuale cu electrozi înveliţi şi sudării sub strat de

flux;- filiform (fig. 2.9.b) – caracteristic sudării în mediu de Ar;- excentric (fig. 2.9.c) – caracteristic sudării în mediu de CO2.

Fig. 2.9. Transferul pulverulentb. Transferul globular este întâlnit la sudarea cu arc lung (tensiune mare), cu intensităţi de

curent relativ mari şi densităţi de curent reduse (sârme groase). Transferul se face în picături neregulate, fără scurtcircuitarea arcului. Se deosebesc două tipuri de transfer globular:

- cu picături normale (fig. 2.10.a);- cu picături excentrice (fig. 2.10.b).

Fig. 2.10. Transferul globular

În primul tip de transfer, caracteristic sudării manuale cu electrozi înveliţi cu arc lung, picăturile cad axial spre piesă, iar în cazul celui de-al doilea, caracteristic sudării în mediu de CO 2

cu sârme groase şi curenţi mari (> 500 A), picăturile sunt apăsate de jos în sus de presiunea gazelor din coloana arcului.

c. Transferul prin scurcircuit, sau prin contact, este o variantă a transferului în picături mari, întâlnit în cazul sudării cu arc scurt, când picătura de metal face periodic o punte de scurcircuit între electrod şi piesă. În figura 2.11 sunt prezentate caracteristicile acestui tip de transfer.

Iniţial, acest mod de transfer era utilizat la sudarea manuală cu electrozi înveliţi, în poziţiile de sudare pe plafon şi pe verticală. În prezent se utilizează pentru sudarea în medii protectoare de gaze şi, mai ales pentru sudarea în mediu de CO2.

Fig. 2.11. Transferul prin scurcircuit

Faţă de cele trei tipuri de bază, există şi aşa-numitul transfer prin impulsuri, utilizat la sudarea în mediu de gaze protectoare, şi este o combinaţie a transferului pulverulent cu transferul globular (fig. 2.12). peste arcul de c.c. se suprapun impulsuri de c.a. cu frecvenţe de 25, 50 sau 100 Hz. Între două impulsuri de curent se formează o picătură de metal lichid care se desprinde brusc în momentul impulsului de curent şi se îndreaptă axial spre piesă.

Fig. 2.12. Transferul prin impulsuri

2.1.4. Influenţa câmpului magnetic asupra arcului electric

Coloana arcului electric se comportă ca un conductor electric fuzibili, care sub acţiunea unui câmp magnetic se deplasează în funcţie de direcţia respectivului câmp. Datorită acestui fenomen

arcul electric nu se mai produce între extremitatea electrodului şi punctul din baie situat la cea mai mică distanţă de acesta. Datorită forţelor magnetice, arcul îşi schimbă lungimea şi direcţia, fenomenul având efecte negative asupra calităţii sudurii. Această deplasare a arcului electric poartă numele de suflul magnetic al arcului.

În procesul de sudare, în jurul electrodului, arcului şi piesei se formează câmpuri magnetice care se influenţează reciproc, rezultanta acestor câmpuri deviind arcul de la poziţia normală (fig. 2.13). O influenţă mare asupra acestui fenomen o au masele de metale magnetice, lucru care se manifestă în special la cusăturilor de colţ şi la sudarea cap la cap a tablelor groase. Devierea arcului se face resimţită de-a lungul cusăturilor (fig. 2.14), precum şi la marginea pieselor care se sudează (fig. 2.15).

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

Fig. 2.14. Devierea arcului de-a lungul îmbinării

Fig. 2.15. Devierea arcului la extremităţile îmbinării

Fenomenul se produce la sudarea în c.c. La sudarea în c.a. efectul fenomenului se face foarte puţin resimţit.

Efectele suflului pot fi eliminate sau reduse prin următoarele metode:- variaţia înclinaţiei electrodului (fig. 2.16);- contactul de masă trebuie să se afle cât mai aproape de arcul electric;- sudarea în direcţia unei suduri deja executate;- menţinerea unui arc cât mai scurt posibil;

- executarea punctelor de prindere cât mai dese;- în cazul unor ansamble cu mase feromagnetice dispuse asimetric se recomandă

amplasarea temporară a unor mase în partea opusă masei care formează piesa propriu-zisă, astfel încât să se creeze un câmp magnetic uniform.

Fig. 2.16. Eliminarea devierii arcului prin înclinarea electrodului

2.2. ARCUL ELECTRIC CONSTRÂNS (PLASMA TERMICĂ)

Plasma este un gaz puternic disociat şi ionizat compus dintr-un amestec de electroni, ioni pozitivi şi atomi, conţinând circa 109 particule electrizate într-un cm3. Generarea plasmei se produce ca urmare a trecerii unui gaz sau amestec de gaze prin spaţiul unui arc electric de c.c. (fig. 2.17).

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

În prima fază se amorsează arcul pilot 3 între catodul 1 şi anodul duză 2, cu ajutorul unei rezistenţe reglabile 4. Trecând prin spaţiul arcului pilot un gaz sau amestec de gaze plasmagene de debit D, acesta se va ioniza formând jetul de plasmă 5. Gradul de ionizare al jetului de plasmă depinde de valoarea curentului ce parcurge rezistenţa reglabilă 4.

În practică se întâlnesc modele de constrângere a arcului electric normal, cu ajutorul câmpurilor magnetice sau prin mijloace mecanice – metoda de trecere forţată a arcului electric printr-un orificiu cu secţiune redusă, practică într-o piesă intens răcită cu apă sau metoda de constrângere a arcului electric cu ajutorul jeturilor fluide.

În procesele de sudare şi conexe sudării, sunt utilizate metode combinate de constrângere a coloanei arcului electric, necesare producerii plasmei termice, la care este aproape nelipsită constrângerea prin ajutaje.

Principalele caracteristici ale plasmei termice sunt:

- plasma termică se dezvoltă de obicei într-un gaz insuflat prin presiune în spaţiul dintre electrozi, pe când arcul normal are ca mediu de ionizare gaze şi vapori la parametrii atmosferici;

- viteza purtătorilor de sarcină din plasma termică este influenţată atât de tensiunea aplicată între electrozi, ca şi la arcul electric normal, dar mai cu seamă de viteza de ieşire a gazelor sub presiune prin ajutaj;

- plasma termică este puternic ştrangulată mecanic şi electromagnetic, pe când arcul normal se poate dezvolta liberi odată cu creşterea curentului.

Temperatura din axul coloanei este maximă; pe măsură ce plasma părăseşte ajutajul şi se îndepărtează temperatura ei scade.

Transferul de căldură din coloana de plasmă spre piesa prelucrată diferă în funcţie de gazul utilizat. În cazul gazelor care au o entalpie specifică mai mare la o temperatură dată, eficienţa termică este mai mare, pentru că ele cedează mai multă căldură fără să-şi scadă mult temperatura. Şi sub acest aspect, gazele biatomice sunt mai avantajoase decât cele monoatomice, deoarece la o temperatură ridicată, pe lângă energia de ionizare, ele mai deţin şi căldura de disociere. Dintre gazele biatomice, hidrogenul are entalpia specifică cea mai mare. Cu toate acestea el se utilizează numai ca adaos în gazele plasmagene, până la 10%, deoarece înrăutăţeşte amorsarea şi stabilitatea plasmei, iar în jurul temperaturii de 4000K coeficientul de transmitere a căldurii pentru hidrogen prezintă un maxim, ceea ce poate provoca deteriorarea ajutajului prin care trece plasma.

Stabilitatea plasmei poate fi influenţată şi de parametrii de stare ai gazelor plasmagene de mişcarea gazelo prin ajutaj, corelată ci geometria ajutajului şi cu parametrii electrici. Cu cât plasma este mai stabilă, cu atât durabilitatea ajutajului este mai mare, iar concentrarea plasmei este mai intensă. Durabilitatea ajutajului poate fi mărită dacă se aplică o concentrare magnetică a plasmei sau o trecere elicoidală a gazelor plasmagene prin ajutaj. Turbionarea plasmei poate fi utilizată numai la instalaţiile de tăiere pentru că în cazul sudării, gazele turbionate pot antrena şi aerul înconjurător, impurificând baia de sudură.

Distrugerea ajutajului şi dereglarea generării plasmei se poate produce şi prin apariţia arcului secundar. La grade mari de constrângere a plasmei, rezistenţa electrică a coloanei de plasmă creşte, iar curentul electric preferă să treacă prin spaţiile care au o rezistenţă electrică totală mai redusă, şi se formează arcul secundar care distruge ajutajul. Prin corelarea parametrilor constructivi şi funcţionali, arcul secundar perturbator poate fi evitat.

În cazul arcului de plasmă, chiar pentru puteri mari şi ajutaje cu diametrul redus, concentrarea plasmei se păstrează numai pe o anumită lungime a coloanei, după care are loc o dispersie a energiei şi o scădere a temperaturii. La creşterea puterii generatorului de plasmă se impune creşterea diametrului ajutajului, care corespunde cu creşterea inutilă a volumului de metal topit şi cu scăderea randamentului global. Din acest motiv, creşterea puterii generatoarelor de plasmă este limitată, ca şi grosimea materialului care poate fi tăiat eficient (maxim 140-150 mm pentru oţelurilor Cr-Ni).

Plasma termică poate fi utilizată şi la sudare sau metalizare sub forma jetului de plasmă. Deoarece în acest caz, descărcarea electrică are loc între electrodul nefuzibil şi ajutajul din cupru răcit cu apă, puterea instalaţiilor cu jet de plasmă este limitată de posibilităţile de protejare a ajutajului împotriva topirii şi este întotdeauna inferioară puterii instalaţiilor cu arc de plasmă.

2.3. FASCICULUL DE PARTICULE

Fasciculele utilizate ca surse termice pentru încălzirea şi topirea materialelor sunt fascicule de electroni sau ioni, acceleraţi într-un câmp electric intens. Ca sursă de electroni se utilizează un tun electronic, iar pentru producerea ionilor pot fi utilizate sursele de ioni cu plasmă. Accelerarea fasciculelor de particule se realizează în spaţii vidate astfel încât energia cinetică a particulelor să nu se risipească prin ciocniri cu moleculele de gaze. Astfel, în instalaţiile cu fascicul de electroni

presiunea în spaţiul vidat este între 10-4-10-6 torr, pe când la sursele de ioni, care au o masă mai mare, presiunea este şi mai mare, 10-2 torr, motiv pentru care fenomenul de convecţie termică este inexistent, iar eventualele impurificări cu gaze ale metalului sunt reduse şi pot fi neglijate.

Concentrarea energiei fasciculelor se realizează cu ajutorul lentilelor magnetice şi electrostatice. Suprafaţa minimă pe care poate fi concentrat fasciculul de electroni este de 10 -7 cm2, respectiv 10-6 cm2 pentru fasciculul de ioni. Datorită concentrării mari a puterii fasciculului de electroni se pot realiza printr-o singură trecere suduri fără material de adaos pe componente cu grosime de până la 300 mm (viteza de sudare = 15-20 m/min). Datorită energiei liniare reduse (= 3-10% din energia liniară utilizată la sudarea manuală cu electrozi înveliţi), raportul dintre adâncimea de pătrundere şi lăţimea sudurii (coeficientul de supleţe) are valori de până la 50:1, fiind net superior comparativ cu alte procedee de sudare. Prin aceasta se reduce substanţial lăţimea ZIT-ului, iar tensiunile şi deformaţiile introduse prin sudare cu fascicul de electroni sunt mult mai reduse decât la alte procedee de sudare.

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

Fig. 2.18. Influenţa puterii fasciculului de electroni asupra sudurii

Pentru puteri specifice reduse (fig. 2.18.a) se produce o topire punctiformă superficială a materialului. Prin creşterea puterii specifice are loc o supraîncălzire a băii metalice şi o adâncire a ei (fig. 2.18.b) datorită transmiterii căldurii spre materialul de bază prin conductivitate termică; concomitent are loc o vaporizare intensă a metalului topit. Mărirea în continuare a puterii specifice conduce la vaporizări instantanee atât de intense încât se formează un crater capilar (fig. 2.18.c, d) în care se găsesc vapori metalici. Diametrul craterului capilar este egal cu diametrul fasciculului, iar în jurul craterului se formează o peliculă inelară de metal topit. Odată cu formarea craterului, care are o formă conică, accesul fasciculului de electroni este tot mai profund, iar supraîncălzirea peliculei de metal topit datorită radiaţiei este tot mai intensă. În partea extremă a craterului, unde are loc impactul electronic, temperatura poate atinge valoarea de 3500C.

Asupra unui element de volum din pelicula topită de metal acţionează forţe statice şi forţe dinamice, din acţiunea acestor forţe interdependente rezultând configuraţia învelişului topit, deci geometria craterului capilar. La puteri specifice de 105-107 W/cm2, craterul poate fi considerat cilindric, iar sursa termică liniară; la puteri specifice de 108 W/cm2 se produce o eliminare explozivă a metalului topit şi o străpungere a materialului pe toată grosimea sa (perforare).

În cazul fasciculelor de ioni fenomenele sunt mai complexe. În impactul dintre ionii grei şi corpul solid se evidenţiază emiterea de electroni şi pulverizarea catodică, specifică ionilor rapizi. Datorită pulverizării catodice, fasciculele de ioni pot fi utilizate la perforări sau tăieri de mare precizie, fără a fi însoţite de topirea marginilor sau de încălzire intensă. În funcţie de energia şi concentrarea fasciculului de ioni se pot obţine şi efecte termice cu utilizare practică (sudarea, tăierea, implantarea cu ioni etc.).

2.4. FASCICULUL DE FOTONI

Fasciculul de fotoni (laserul) reprezintă cea mai concentrată sursă termică utilizată, având puteri specifice de 109 W/cm2. Puterea fasciculelor laser utilizate la sudare este cuprinsă între 2-10 kW. Fasciculele laser cu puterea de peste 20 kW nu au practic eficienţă datorită costului ridicat şi a funcţionării incomode, fiind preferate fasciculelor de particule.

Sub aspectul randamentului energetic, instalaţiile laser sunt deficitare deoarece numai o mică parte a energiei consumate este transformată în energie a fasciculului. Din energia fasciculului numai o parte, care depinde de starea suprafeţei şi de lungimea de undă este reflectată (1-41%). Pentru micşorarea pierderilor de energie prin reflexie se recomandă tratarea superficială a pieselor (acoperiri cu straturi absorbante metalice sau nemetalice, mărirea rugozităţii suprafeţelor).

Avantajele utilizării laserului ca sursă termică sunt:- concentrarea maximă a energiei;- dirijarea fasciculului spre locuri inaccesibile, fără pericolul devierilor sau dispersărilor;- nu necesită menţinerea piesei în vid;- nu produce radiaţii X.Dezavantaje:- randament scăzut;- cost ridicat al instalaţiei.

2.5. REZISTENŢA ELECTRICĂ VOLUMICĂ ŞI DE CONTACT

Încălzirea pieselor în vederea sudării se poate realiza şi prin efectul Joule al curentului electric, care se manifestă atât în volumul pieselor străbătute de curent, cât şi la locul de contact electric.

Introducerea curentului electric în componente se poate face direct, prin intermediul unor piese de contact având conductibilitate electrică bună (aliaje din Cu), sau indirect cu ajutorul inductorilor amplasaţi în vecinătatea zonei care necesită încălzirea. Dacă se urmăreşte încălzirea volumică sunt necesare intensităţi mari de curent şi frecvenţe normale sau chiar sub 50 Hz, iar dacă se urmăreşte numai încălzirea superficială sau a zonei de contact dintre componente pot fi utilizate intensităţi mai mici de curent şi frecvenţe mai mari.

Odată cu creşterea frecvenţei f (Hz) a curentului de încălzire scade adâncimea a stratului încălzit.

(2.1)

- rezistivitatea materialului, (m) - permeabilitatea magnetică a materialului

Limitarea încălzirii profunde se poate face prin utilizarea frecvenţelor mari şi a încălzirilor rapide (puteri mari aplicate într-un timp redus).

În multe situaţii încălzirea volumică are loc concomitent cu încălzirea datorită rezistenţei de contact dintre componente.

Caracteristicile principale ale surselor termice rezultate în rezistenţe electrice sunt:- regimul nestaţionar de producere a căldurii;

- energia poate fi localizată şi dozată în material cu precizie;- randamentul transferului termic în material raportat la volumul încălzit are valorile cele

mai ridicate;- posibilităţi de încălzire rapidă cu sau fără contact direct al piesei în circuitul electric.

2.6. BAIA DE ZGURĂ

Baia de zgură prezintă o particularitate faţă de celelalte surse termice utilizate la sudare prin faptul că agentul termic este un mediu lichid care topeşte atât materialul de bază, cât şi materialul de adaos. Agentul termic este un amestec de componenţi minerali şi se prezintă sub forma fluxului de sudură. Prin topirea sa rezultă o masă lichidă denumită baia de zgură a cărei temperatură se impune să fie superioară temperaturii de topire a metalelor care se sudează.

La trecerea curentului prin baia de zgură, care este un electrolit, se degajă o mare cantitate de energie termică. Prin reglarea intensităţii curentului de sudare şi a adâncimii băii de zgură, care are rezistenţa electrică R, se poate doza energia termică E necesară menţinerii băii la temperatura recomandată.

(2.2)

O parte din energie este utilizată pentru încălzirea şi topirea metalului de bază, a materialului de adaos, a unor cantităţi topite de flux, iar o altă parte se pierde în patinele din cupru răcite cu apă şi în atmosfera înconjurătoare.

(2.3)

Bilanţul termic depinde de grosimea componentelor sudate, de geometria băii de zgură, precum şi de proprietăţile termofizice ale materialelor care intervin în procesul de sudare.

Baia de zgură prezintă unele particularităţi, cum ar fi transferul termic prin convecţie într-un mediu vâscos, răcirea neuniformă şi diferenţele mari de temperatură dintre diferitele puncte din zgura lichidă. Zonele cele mai fierbinţi se găsesc la locul de contact al electrozilor cufundaţi în baia de zgură, precum şi sub electrozi. Zonele cele mai puţin calde ale băii se găsesc în imediata vecinătate a patinelor din cupru răcite cu apă. Din acest motiv, în cazul sudării componentelor cu grosime mare, la care diferenţele de temperatură din baia de zgură sunt şi ele mai mari, este indicată utilizarea mai multor electrozi sau a electrozilor oscilanţi faţă de poziţia verticală, cu opriri în poziţia apropiată de patinele din cupru, astfel încât câmpul de temperatură din baia de zgură să devină cât mai uniform.

2.7. FLACĂRA DE GAZE

Flacăra de gaze se obţine prin arderea unui curent de gaze sau vapori combustibili cu oxigenul. Arderea acestui amestec este o reacţie chimică exotermă, rapidă, care se manifestă într-un spaţiu limitat şi vizibil.

Flacăra este caracterizată printr-o viteză de propagare a frontului de ardere, numită viteză de ardere, va, care depinde de natura şi condiţiile de stare a gazelor, precum şi de proporţia amestecului cu oxigenul. Dacă va = 10-15 m/s arderea este liniştită, iar dacă va > 100 m/s se spune că arderea este explozivă. În procesele de sudare se utilizează flacăra cu ardere liniştită.

Temperatura flăcării şi volumul ei depind de mai mulţi factori: viteza de ardere, puterea calorică a gazului combustibil, volumul şi natura produşilor rezultaţi din ardere. De exemplu, acetilena, cu toate că are o putere calorică mică în raport cu alte gaze combustibile, se oxidează într-un spaţiu redus, produce o cantitate minimă de vapori de apă, iar flacăra este concentrată şi fierbinte, fiind eficientă la sudare.

Structura flăcării oxigaz şi repartizarea temperaturilor în funcţie de distanţa faţă de ajutaj este prezentată în figura 2.19. Amorsarea reacţiei de oxidare a acetilenei cu oxigenul insuflat (relaţia 2.4) are loc în spaţiul dintre zonele 1 şi 3 care se numeşte, în ansamblu, flacăra primară.

(2.4)

Fig. 2.19. Flacăra oxigaz1 – zona de amestec neaprins (C2H2-O2); 2 – nucleu luminos;

3 – zona reducătoare; 4 – flacăra secundară

Produsele rezultate din flacăra primară, având o temperatură ridicată, intră în reacţie cu oxigenul din atmosfera înconjurătoare:

(2.5)

Volumul gazelor rezultate din această reacţie este extins, iar zona de reacţie se numeşte flacără secundară.

În practică, pentru a se produce arderea completă, se adoptă un uşor exces de oxigen, adică

. Prin variaţia lui 0 se poate obţine o flacără carburantă (0 < 1) sau o flacără

oxidantă (0 > 1,2). În primul caz, temperaturile sunt inferioare şi are loc o alungire puternică a nucleului care devine luminos datorită carbonului liber incandescent. În cel de-al doilea caz, temperaturile ating valori superioare (3170C) şi are loc o scădere a lungimii flăcării.

Deoarece flacăra oxigaz conţine un volum mare de gaze în mişcare, pot apare o serie de factori care perturbă repartiţia calculată a densităţii fluxului termic. Astfel, curenţii de aer din mediu pot modifica repartiţia energiei din flacără în timp şi spaţiu. De asemenea, proeminenţele sau muchiile pieselor care sunt încălzite cu flacără, produc devieri ale traiectoriei gazelor. Acestea sunt însoţite de comprimări sau dilatări a gazelor din flacără, care provoacă modificări ale coeficienţilor de transfer termic şi variaţii de temperatură, atât în flacără, cât şi în piese. Din acest motiv,

proeminenţele şi muchiile pieselor sunt supuse la supraîncălziri, cantitatea de gaze dizolvată în sudură creşte, înrăutăţind calitatea sudurii.