Transcript Curs5

SUDAREA ÎN ATMOSFERĂ PROTECTOARE
Sudarea MIG/MAG
Procedeul de sudare MIG/MAG reprezintă în prezent unul dintre cele mai răspândite procedee de sudare prin
topire în mediu protector de gaze. Arcul electric se amorsează între electrodul fuzibil sub forma unei sârme de
sudare şi piesa metalică, arcul electric fiind protejat de o coloană de gaz cu proprietăţi speciale.
Alegerea corectă a atmosferei protectoare reprezintă un factor critic
asupra aspectului, calităţii şi proprietăţilor mecanice ale cusăturii
sudate. Gazele de protecţie au o comportare diferită sub efectul
căldurii radiate de arcul electric, influenţând astfel transferul de
material in arcul electric, proprietăţile băii de sudare, pătrunderea
cusăturii în metalul de bază.
Cele mai importante proprietăţi ale
atmosferei de protecţie sunt:
• potenţialul de ionizare
• conductivitatea termică
• activitatea chimică faţă de baia de
sudare (gaze inerte sau activ chimice)
1
2
5
3
6
7
În funcţie de proprietăţile atmosferei de
protecţie se disting două metode de
sudare:
• sudarea MIG (Metal Inert Gas) în
cazul utilizării unor gaze inerte
• sudarea MAG (Metal Active Gas) în
cazul utilizării unor gaze active chimic
4
Utilajul de sudare pentru procedeul MIG/MAG
1) reductor de presiune, 2) butelie gaz, 3) pupitru comandă, 4) pistolet
de sudare, 5) bobină de sârmă de sudare, 6) mecanismul de avans al
sârmei de sudare, 7) sursa de curent
Varianta MIG este utilizată la sudarea
oţelurilor aliate şi a metalelor
neferoase, iar varianta MAG este
utilizată cu precădere la sudarea
oţelurilor carbon şi slab aliate.
Mecanism de avans cu patru
role a sârmei electrod fuzibil
Sursa de curent trebuie să livreze un curent continuu cu polaritate inversă, la o
tensiune reglabilă între Ua=15-45 V şi la o intensitate de Is=50-500 A.
conductor electric de
putere
izolator
electric
tub flexibil
duză ceramică de dirijare a
gazului de protecţie
conductori clapetă de
contact
tub protector rigid
clapetă de contact
conector mecanic dintre tubul
flexibil şi tubul protector rigid
orificii de dispersie a gazului
de protecţie
duză de cupru de contact
electrod
Pistoletul de sudare serveşte la introducerea în zona de sudare a sârmei electrod fuzibil,
realizarea contactului electric cu sursa de curent şi insuflarea în jurul sârmei electrod a gazului
protector. Pistoletele pot fi de tip lebădă sau de tip pistol, în ambele cazuri sunt prevăzute cu
duze de contact de cupru schimbabile în funcţie de diametrul sârmei electrod, respectiv cu duze
ceramice pentru insuflarea gazului protector. Pistoletele care funcţionează cu curent de sudare
de peste 250 A sunt prevăzute cu circuit intern de răcire cu apă.
direcţia de sudare
tub spiral pentru conducerea
sârmei electrod
gaz de protecţie insuflat în jurul
sârmei electrod
difuzor gaz de
protecţie
duza de contact electric
coloana
arcului electric
sârma electrod
cusătura
sudată
baia de sudare
Difuzorul de gaz asigură o
distribuţie uniformă a gazului de
protecţie în jurul sârmei electrod,
respectiv a coloanei arcului
electric, protejând baia de sudură
de contaminarea atmosferică.
Sistemul de gaz protector se
compune din butelia de oţel
umplută cu gazul protector,
reductor de presiune a gazului de
la presiunea din butelie la cea de
lucru (pg=0,5-3 bar), rotametru
pentru măsurarea debitului de
gaz, (Qg=5-25 l/min.) şi un ventil
electromagnetic care se deschide
numai pentru perioada efectivă
de sudare.
Reductor de presiune
cu rotametru
a) argon
b) argon şi heliu
c) heliu
d) dioxid de carbon
Influenţa conductivităţii termice a gazelor de protecţie asupra profilului
cusăturii sudate şi pătrunderii în metalul de bază
Sub influenţa căldurii radiate de arcul electric, gazele se comportă în mod diferit. Intensitatea curentului arcului
electric are o influenţă determinantă asupra mecanismului de transfer de material prin arc şi asupra comportării
particulelor de metal topit.
Pentru ca să conducă curentul electric gazul trebuie ionizat şi în acest scop absoarbe o cantitate importantă de
energie termică din arcul electric. Cantitatea necesară de energie pentru a ioniza gazul este specifică fiecărui gaz în
parte şi este denumită energia de ionizare. Cu cât energia de ionizare este mai mică, gazul respectiv conduce la o
amorsare mai uşoară a arcului electric, tensiunea necesară pentru a menţine stabil arcul fiind mai mică.
Gazele în stare moleculară (H2, O2, CO2 şi N2) disociază datorită căldurii absorbite de la arcul electric şi la contactul
cu suprafaţa rece a metalului de bază se recombină eliberând o cantitate importantă de energie termică, prin aceasta
îmbunătăţind transferul de căldură de la arcul electric spre metalul de bază.
a) argon
Argonul are o conductivitate
termică de cca. 10% din cea a
hidrogenului şi heliului însă o
energie de ionizare mult redusă
în comparaţie cu acestea. Acest
fapt permite o amorsare a
arcului electric mult mai uşoară
în atmosfere bogate în argon şi
o adâncime de pătrundere
ridicată, însă pe o lărgime
îngustă.
Se utilizează la sudarea Ni, Cu,
Al, Mg şi a aliajelor acestora.
În amestec cu alte gaze inerte
este componentul principal
datorită potenţialului de
ionizare redus al acestuia.
b) argon şi heliu
c) heliu
Heliul se utilizează în aplicaţii care necesită o
cantitate mare de căldură transferată metalului
de bază datorită conductivităţii termice excelente
a acestuia. Coloana arcului este mai lată,
îmbunătăţeşte capacitatea de umectare a
cusăturii sudate şi permite creşterea vitezei de
sudare.
Materialele metalice cu conductivitate termică
ridicată (Al, Cu), în special la grosimi mari
disipă foarte rapid căldura absorbită de la arcul
electric şi necesită un transfer termic cu eficienţă
ridicată, ceea ce recomandă utilizarea heliului ca
şi gaz de protecţie. Heliul mai este utilizat la
sudarea laser cu CO2 în special dacă se doreşte
obţinerea unei plasme induse termic, care
determină o pătrundere mare a cusăturii în
metalul de bază.
d) dioxid de carbon
Dioxidul de carbon este inert la
temperatura ambiantă, dar la temperaturi
ridicate cum sunt cele din coloana arcului
la pata anodică, moleculele de CO2
disociază eliberând CO, C şi oxigen
atomic care pătrund parţial în baia de
sudură. O parte din gazul disociat ce intră
în contact cu suprafeţele reci ale metalului
de bază se recombină pentru a forma din
nou CO2, în urma procesului de
recombinare chimică eliberându-se o
cantitate considerabilă de căldură ce
conduce la o pătrundere largă şi totodată
adâncă a cusăturii în metalul de bază.
Oxigenul ce pătrunde în baia de sudură
interacţionează chimic cu Si şi Mn sau Fe
şi formează o serie de oxizi care se ridică
la suprafaţa băii şi se solidifică sub forma
unor insule pe suprafaţa cusăturii sudate
sau se localizează la muchia cusăturii.
Sârmele de sudură pentru sudarea MIG/MAG sunt trefilate din oţeluri
elaborate îngrijit, fiind calmate superior, având un conţinut redus de
carbon (C<0,12%) şi de impurităţi (S, P< 0,03%).
Sârmele sunt cuprate la suprafaţă pentru reducerea rezistenţei de contact
în duza de cupru a pistoletului şi pentru a asigura o mai bună protecţie
impotriva coroziunii atmosferice. Alierea cu 0,9-2,2% Mn şi 0,4-1,2%
Si a sârmei electrod asigură dezoxidarea băii de sudură
Transferul de material prin arcul electric
Modul în care se efectuează transferul de material de la electrod spre baia de sudare determină
proprietăţile de rezistenţă ale îmbinării sudate, aspectul cusăturii, microstructura şi
caracteristicile de productivitate ale procedeului de sudare.
Datorită importanţei pe care îl reprezintă mecanismul de transfer al materialului s-au dezvoltat o
serie de metode care pot fi grupate în cinci categorii în funcţie de caracteristicile picăturilor de
metal topit, după cum urmează:
1.
arcul scurt cu transfer prin scurt-circuit
2.
arcul globular (intermediar) la care transferul se face prin picături mari, parţial prin scurtcircuit şi parţial gravitaţional
3.
arcul spray se face prin picături fine aliniate axial cu arcul electric, transferul efectuându-se
fără scurt-circuit
4.
arcul în impulsuri este un arc spray avansat la care transferul se face sub forma unei singure
picături topite pe ciclu curent de sudare
5.
arcul de putere ridicată care poate fi rotaţional sau nu.
Arcul în scutcircuit (sau arcul
scurt) se utilizează pentru sudarea
tablelor subţiri şi a rădăcinii, cu
puteri reduse ale arcului electric.
Transferul de material are loc prin
scurtcircuitarea electrodului de piesa
sudată şi se realizează cu o anumită
periodicitate în funcţie de
caracteristicile curentului de sudare.
a)
b)
c)
d)
e)
electrodul face contact electric cu baia de sudură lichidă, tensiunea arcului se apropie
de zero şi intensitatea curentului începe să crească în funcţie de valoarea inductanţei
circuitului.
datorită curentului electric se generează forţe electrodinamice şi se manifestă efectul
Pinch, care tinde să reducă secţiunea electrodului. Tensiunea arcului creşte uşor iar
curentul de sudare este în creştere.
este momentul în care intensitatea curentului a atins valoarea maximă şi picătura
metalică formată este forţată să se desprindă de capătul electrodului. Forţele
electrodinamice sunt maxime şi împiedică reataşarea picăturii desprinse de electrod.
după desprinderea picăturii arcul electric se restabileşte (nu mai este în scurtcircuit) şi
începe formarea unei noi picături, curentul electric scade la o valoare de bază.
electrodul în acest punct face din nou contact cu baia de sudare arcul electric se stinge
şi începe un nou ciclu de transfer al materialului adaos.
Frecvenţa scurtcircuitărilor cu baia de
sudare poate să ajungă la valori de
250 ori/secundă, în funcţie de
caracteristicile sursei de curent.
Transferul de material prin arc în
scurtcircuit introduce în piesa sudată
o cantitate de căldură minimă datorită
intermitenţei arcului de sudare,
transferul efectiv de material
efectuându-se în perioada când
electrodul este în contact fizic cu baia
de sudare.
Inductanţa controlează viteza de
creştere a curentului electric şi prin
aceasta
modifică
frecvenţa
scurtcircuitelor produse de electrodul
de sudare. Dacă creşte inductanţa
scade numărul de scurcircuite,
picăturile topite de metal acumulează
o energie mai ridicată şi vor fi
proiectate cu viteză mărită spre baia
de sudură. Obiectivul inductanţei
este de a realiza un transfer de
material cu picături cât mai fine, cu
pierderi prin stropire minime şi având
totuşi suficientă energie pentru a
realiza o bună pătrundere.
Arcul globular conduce la un transfer de material combinat prin
scurtcircuit şi gravitaţional a unor picături de dimensiuni mari, intensitatea
curentului de sudare fiind intermediară între cea a arcului în scurcircuit şi a
arcului spray. Picăturile formate au dimensiuni cuprinse între 2-4 ori
diametrul electrodului de sudare.
Gazul de protecţie este format uzual din 100% CO2, dar se poate utiliza şi
un amestec de argon cu CO2. Datorită forţelor de respingere care sunt
orientate invers mişcării de avans a sârmei electrod, picăturile formate sunt
menţinute mai mult timp la capătul sârmei ceea ce favorizează creşterea lor
la dimensiunile amintite şi desprinderea lor de electrod se face datorită
greutăţii lor sau prin scutcircuit
Fenomenul de stropire este intens, picăturile au forme neregulate şi pot
urma traiectorii situate în afara rostului de sudare. Stropii sunt
aderenţi şi necesită costuri suplimentare pentru îndepărtarea lor, iar
aspectul suprafeţei cusăturii sudate este convex. În funcţie de
grosimea metalului de bază şi de puterea arcului, sudarea cu arc
globular poate fi departajată în:
1.
2.
sudare cu arc intermediar (arc de putere medie şi grosime medie a
materialelor sudate în amestecuri de gaze cu baza argon şi cu adaos de
CO2)
sudare cu arc lung (sudarea MAG de mare putere a tablelor de
grosime mare în atmosferă de 100 % CO2)
Arcul spray este cel mai energic mecanism de transfer, picăturile
de metal topit au dimensiuni mai mici decât diametrul electrodului de
sudare şi sunt proiectate pe direcţie axială spre baia de sudură care este
foarte fluidă, motiv pentru care se sudează doar în poziţie orizontală. Rata
de depunere este ridicată, viteza de sudare este mare, iar transferul de
material se desfăşoară cu stropi fini fără scurtcircuitare şi cu stropire
redusă.
Trecerea de la arcul globular la arcul spray se realizează prin creşterea
intensităţii curentului de sudare, care la limita de tranziţie dintre arcul
globular şi arcul spray poartă denumirea de curent de tranziţie. La
curenţi de sudare de intensitate mică electrodul se topeşte mai lent şi
permite formarea unor picături de formă sferică cu dimensiuni mai mari
forţele predominante ce controlează desprinderea picăturii de capătul
electrodului sunt forţa gravitaţională şi cea datorată tensiunii superficiale.
Creşterea curentului de sudare modifică raportul dintre forţele ce
acţionează asupra picăturii de metal topite în favoarea forţelor
electromagnetice care devin predominante. Rata de depunere creşte
datorită creşterii frecvenţei de formare şi desprindere a picăturilor
metalice. Coloana arcului electric care la intensităţi mici de curent are o
formă semisferică sau de clopot şi luminozitate relativ scăzută, la arcul
spray se concentrează şi capătă o formă conică cu un nucleu foarte
luminos.
Arcul în impulsuri este o variantă avansată a arcului spray
la care curentul de sudare este modulat între o valoare maximă şi una
de bază (background current lb. eng.), transferul de material
efectuându-se sub forma unei singure picături când curentul de
sudare atinge amplitudinea maximă, respectiv pe un impuls de
curent.
Această variantă perfecţionată a arcului spray s-a dezvoltat datorită
necesităţii controlului fenomenului de stropire şi pentru a elimina
defectele de sudare ca şi lipsa de topire şi pătrunderea insuficientă a
cusăturii sudate în metalul de bază, care apar frecvent la sudarea cu
arc globular.
Maximul curentului de sudare depăşeşte curentul de tranziţie a
arcului globular-spray, iar curentul de bază este inferior curentului
arcului în scurtcircuit, media curentului fiind mai mică decât curentul
de sudare de la arcul spray.
În mod ideal, picătura este desprinsă de electrod în momentul când
curentul atinge valoarea maximă, iar valoarea scăzută a intensităţii
curentului de bază asigură stabilitatea/continuitatea arcului de sudare,
respectiv reduce cantitatea de căldură transferată piesei sudate, prin
aceasta menţinând un nivel scăzut al tensiunilor termice şi al
deformaţiilor după sudare.
Viteza de creştere a curentului de sudare (1) determină timpul de formare a picăturii de metal şi poate atinge valori de 1000 amperi/milisecundă.
Vârful de curent (2) se exprimă în procente din curentul maxim şi contribuie la creşterea rigidităţii arcului electric şi la creşterea bruscă a forţelor
electromagnetice (efectul Pinch) ce contribuie substanţial la mecanismul de detaşare a picăturii metalice de capătul electrodului.
Nivelul maxim al curentului (3) determină mărimea picăturii formate şi pătrunderea cusăturii în metalul de bază. În intervalul foarte scurt de timp
cât este menţinut nivelul maxim al curentului de sudare, picătura se detaşează de electrod şi este proiectată spre baia de sudură de către forţele
electromagnetice.
Legea de variaţie a scăderii curentului de sudare (4) de la valoarea maximă la cea de bază (nominală) este de obicei exponenţială şi are efect
asupra fluidităţii particulei desprinse deja de electrod, precum şi asupra fluidităţii băii de sudare care primeşte o cantitate de căldură mai redusă.
Întreruperea curentului modulat (6) are influenţă asupra stabilităţii arcului de sudare, respectiv asupra cantităţii de căldură transmisă piesei de
arcul electric prin radiaţie termică.
Cu cât creşte frecvenţa ciclului de transfer (o picătură detaşată pe un ciclu de variaţie a curentului de sudare sau pe un impuls de curent),
picăturile devin mai mici şi arcul este mai concentrat, transferul de material efectuându-se mai energic.
Arcul de putere ridicată
se utilizează când se doreşte
atingerea unor rate de depunere înalte şi viteze mari de sudare. În funcţie de
tipul atmosferei de sudare se disting două variante ale arcului de putere
ridicată:
• arcul spray de putere ridicată
• arcul rotitor
Lungimea mare a electrodului în extensie se topeşte progresiv în coloana
arcului electric de putere ridicată şi datorită forţelor electromagnetice
generate de curentul de înaltă densitate se produce rotirea capătului
electrodului după o traiectorie elicoidală, de unde provine şi denumirea
arcului.
Intensitatea curentului electric de sudare la care se manifestă tendinţa
arcului de a se roti este denumită intensitatea curentului de tranziţie a
arcului rotitor.
Efectul de rotire a arcului este diminuat sau chiar suprimat pe măsură ce
creşte conductivitatea termică a gazului de protecţie ce asigură un transfer
termic mai eficient de la arcul electric către electrod, tensiunea superficială
a metalului topit micşorându-se cu creşterea temperaturii. În această
situaţie, arcul electric apare mai alungit şi mai difuz, dar păstrează
caracteristicile arcului spray (arc spray de putere ridicată).
Arc rotitor
50
U
[V]
Arc spray de
putere
ridicată
40
Arc spray
Arc
globular
30
Arc în
scurtcircuit
20
Arc în
impulsuri
150
300
450
Intensitatea curentului [A]
600