Aspecte Teoretice Privind Sudarea Mig Mag

CAPITOLUL 1

ASPECTE TEORETICE PRIVIND SUDAREA

MIG/MAG

Dezvoltarea sudării, ca proces tehnologic de îmbinare a materialelor metalice, din ultimii ani este strîns legată de dezvoltarea sudării în mediu de gaze protectoare în general și de sudarea MIG/MAG și cu sârmă tubulară în special. Se apreciază că ponderea de aplicare a sudării MIG/MAG pe plan mondial se ridică în acest moment la un procent de aproximativ 60-70% din totalul producției de structuri sudate.

Studiile intreprinse în țările puternic industrializate ale lumii, ca S.U.A., Japonia sau Comunitatea Europeană, privind dinamica de dezvoltare a procedeelor de sudare prin topire în ultimii ani și ponderea acestor procedee la sfârșitul secolului al XX-lea arată fără echivoc că sudarea în mediu de gaze protectoare cu electrod fuzibil MIG/MAG este procedeul cu cea mai spectaculoasă dinamică, respectiv cu cel mare mare volum de aplicare la ora actuală.

Analiza, a luat în considerare următoarele procedee de sudare prin topire: sudarea manuală cu electrod învelit (SE), sudarea în mediu de gaze protectoare MIG/MAG, sudarea cu sârmă tubulară (ST), respectiv sudarea sub strat de flux (SF),tabelul 1.1.1..

Tabelul 1.1.1- Ponderea procedeelor de sudare prin topire pe plan mondial

La baza acestei dezvoltări dinamice stau avantajele incontestabile ale sudării MIG/MAG și anume productivitatea ridicată, respectiv ușurința cu care procedeul se pretează la mecanizare, automatizare sau robotizare. La acestea se mai adaugă în mod special, dezvoltarea și perfecționarea echipamentelor și instalațiilor de sudare MIG/MAG, prin implementarea și tehnologia electronicii de putere, a invertorului și a microprocesorului în construcția acestora, performanțele tehnologice și de ansamblu ale procedeului crescând neîncetat.

Dezvoltarea obiectivă a volumului de aplicare a sudării MIG/MAG în detrimentul sudării SE are la bază principalele avantaje ale sudării în mediu de gaze protectoare:

Productivitatea ridicată a procedeului determinată de rata mare a depunerii (AD = 2-4g/s), pătrunderea ridicată (j = 150-250 A/mm2), respectiv posibilitatea sudării cu viteze de sudare mari (vs = 30-100 cm/min);

Posibilitatea mecanizării, automatizării sau robotizării cu ușurință a procedeului cu profunde implicații economice și de calitate privind îmbinarea sudată.

Definirea și clasificarea procedeului

Procedeul de sudare MIG/MAG face parte din grupa procedeelor de sudare prin topire cu arcul electric în mediu de gaze protectoare. În funcție de caracterul electrodului această grupă cuprinde două subgrupe mari:

procedee de sudare cu electrod fuzibil;

procedee de sudare cu electrod nefuzibil.

Principalele tipuri de arce, respectiv modurile de transfer al picăturii de metal specifice sudării în mediu de gaze protectoare MIG/MAG sunt :

arc scurt: transfer prin scurtcircuit (short arc);

arc spray: transfer prin pulverizare (spray arc);

arc lung: transfer globular (long arc);

arc intermediar (tranzitoriu) (tranzition arc);

arc pulsat: transfer sinergic (pulsed arc).

1.2. Descrierea procedeului

Sudarea MIG/MAG este un procedeu de sudare prin topire cu arcul electric cu electrod fuzibil, pentru protecția arcului și a băii de metal folosindu-se un gaz de protecție. În funcție de caracterul gazului de protecție se disting două variante ale procedeului:

sudarea MAG (metal-activ-gaz) în cazul unui gaz activ;

sudarea MIG (metal-inert-gaz) în cazul unui gaz inert.

Procedeul este întâlnit cel mai frecvent în varianta semimecanizată (viteza de sudare manuală, viteza de avans a sârmei electrod întotdeauna mecanizată), dar procedeul se pretează cu ușurință la mecanizare, automatizare și chiar robotizare, dovadă instalațiile de sudare tot mai numeroase care pot fi întâlnite în producția de structuri sudate (în special roboți de sudare).

1.3.Avantajele procedeului.

Principalele avantaje ale procedeului MIG/MAG sunt productivitatea ridicată și facilitatea mecanizării, automatizării sau robotizării.

Productivitatea ridicată este asigurată de puterea ridicată de topire a arcului, pătrunderea mare la sudare, posibilitatea sudării cu viteze de sudare mari, respectiv eliminarea unor operații auxiliare. Aceste aspecte sunt determinate de densitățile mari de curent ce pot fi utilizate: (150-250 A/mm2) la sudarea MIG/MAG clasică, respectiv (300-350 A/mm2 la sudarea cu sârmă tubulară.

Flexibilitatea în direcția mecanizării și robotizării este asigurată în principal de posibilitatea antrenării mecanizate a sârmei electrod (sârme subțiri), de modul de realizare a protecției la sudare (cu gaz), de ușurința reglării și controlului parametrilor tehnologici de sudare, de gabaritul relativ mic al capului de sudare, etc.

La aceste avantaje principale, se pot adăuga:

grad înalt de universalitate a procedeului;

posibilitatea sudării în orice poziție;

eliminarea operației de curățire a zgurii;

grad înalt de utilizare a materialului de adaos ( 90-95%);

cantitate redusă de fum;

conducerea și supravegherea ușoară a procesului de sudare (arcul este vizibil);

factor operator superior sudării SE, 60-65%, ca efect a eliminării operației de schimbare a electrodului și de curățire a zgurii de pe cusătura sudată;

tensiuni și deformații mici la sudare (energie liniară mică).

1.4.Dezavantajele procedeului.

Se pot sintetiza astfel:

echipamente de sudare mai scumpe și mai complicate;

flexibilitatea mai redusă decât la sudarea SE: pistoletul de sudare mai greu și cu manevrabilitate mai scăzută, cu rază de acțiune limitată în cazul echipamentelor clasice la (3…5m) față de sursa de sudare, uneori necesită spațiu de acces mai mare;

pierderi de material de adaos (în anumite condiții) prin stropi (5-10%);

sensibil la curenți de aer (evitarea sudării în locuri deschise, cu vânt, etc.);

limitat la grosimi, în general, mai mari de 1 mm;

riscul unei protecții necorespunzătoare a arcului electric și a băii de metal;

probabilitatea relativ mare de apariție a defectelor în îmbinarea sudată, în principal pori și lipsă de topire.

1.5.Performanțele procedeului.

În tabelul 1.1.2. se indică domeniile de valori ale parametrilor tehnologici de sudare MIG/MAG.

Tabelul 1.1.2. : Performanțele procedeului de sudare MIG/MAG

1.6.Materialele de sudare

1.6.1. Alegerea cuplului sârmă electrod – gaz de protecție la sudarea MIG/MAG

Criteriul de bază la alegerea cuplului sârmă electrod-gaz de protecție este natura metalului de bază.

Sudarea MAG se recomandă la sudarea oțelurilor carbon nealiate și slab aliate.

Sârma electrod este aliata suplimentar față de metalul de bază cu elemente dezoxidante ca Mn, Si și uneori Ti (elemente cu aviditate mai mare de oxigen decât fierul) pentru evitarea oxidării fierului și a celorlalte elemente de aliere cu toate consecințele în ceea ce privește degradarea caracteristicilor mecanice, de plasticitate și de tenacitate (scăderea acestora).

Gazul de protecție este un gaz activ (reactionează cu elementele chimice din picătură și din baia metalică ). Cele mai utilizate gaze la sudarea MAG sunt:

bioxidul de carbon CO2 100 și amestecurile de gaze: – Ar + 15-20%CO2 ; – Ar + 4-8% O2 ;

– Ar + 5% O2 + 5-15% CO2

Alegerea gazului de protecție se face în principal în funcție de modul de transfer utilizat la sudare: transfer prin scurtcircuit, transfer prin pulverizare, transfer globular, transfer sinergic în curent pulsat. Precizăm că sudarea în curent pulsat sau transferul prin pulverizare se realizează numai prin utilizarea amestecurilor de gaze bogate în Ar cu mai mult de 80%Ar, respectiv cu mai puțin de 20% CO2. Cel mai utilizat amestec de gaz de protectie este CORGON 18 (82%Ar+18%CO2).

Bioxidul de carbon(CO2)urmatoarele efecte la sudare:

asigură cea mai bună geometrie a cusăturii sudate dintre toate gazele de protecție, pătrunderea cea mai mare și sigură la sudare, protecție bună cu pericol redus de pori în cusătură (prin disociere gazul își marește volumul), preț de cost cel mai scăzut, dar cu caracteristici mecanice și de plasticitate medii ale metalului cusăturii (are loc oxidarea acestuia) și cu o tenacitate redusă la temperaturi negative, stropi mari cu stropiri abundente, transferul picăturii poate avea loc numai prin scurtcircuit sau globular.

Utilizarea amestecurilor de gaze are urmatoarele avantaje:

permite modificarea tipului de transfer a picăturii prin coloana arcului și anume tran-sferul prin pulverizare sau în curent pulsat;

modifică geometria cusăturii sudate;

caracteristici mecanice mai bune ca la sudarea în CO2% dar cu tenacitate redusă la temperaturi negative (mai au loc oxidari importante ale metalului topit);

marește stabilitatea arcului electric;

reduce stropirile la sudarea cu arc scurt sau cu arc intermediar;

lărgește domeniul optim de lucru la sudarea cu arc scurt, respectiv îngustează domeniul arcului intermediar total nefavorabil;

crește productivitatea la sudare (pătrundere mai mare, viteză de sudare mai mare);

estetică mai bună a suprafeței cusăturii (neteda cu solzi fini și supra înalțare redusă);

dezavantaj: pret de cost mai ridicat;

Obs. 1. Ar nu se utilizează singur la sudare datorită geometriei total nefavorabile sub forma de „deget de Ar” caracterizată prin pătrundere mare și foarte îngustă cu incidență ridicată la apariția defectelor la sudare ca lipsa de patrundere, lipsa de topire, pori.

Obs. 2. Amestecul de gaze se poate livra în butelie la amestecul dorit sau se poate realiza în laborator cu ajutorul unui amestecător de gaze prin folosirea a două sau mai multe butelii de gaze diferite în funcție de amestecul dorit.

Sudarea MIG se recomandă la sudarea otelurilor aliate și înalt aliate (INOX), la sudarea metalelor și aliajelor neferoase Al, Cu, Ni, la sudarea metalelor active Ti, Be, etc.

Sârma electrod are compoziția chimică apropiată de a metalului de bază. Gazul de protecție este un gaz inert (nu reacționează cu elementele chimice). Cele mai utilizate gaze de protectie la sudarea MIG sunt:

Ar 100% la sudarea Al și aliajelor sale

Ar, He, amestecuri Ar+He la sudarea metalelor și aliajelor nefieroase Al, Cu

Ar+1-3%O2; Ar+2-4% CO2 la sudarea oțelurilor aliate INOX;

Ar+3-6%H2 la sudarea oțelurilor INOX Austenitice (nu și feritice).

Utilizarea amestecurilor de gaze in acest caz conduce la creșterea productivității la sudare prin creșterea puterii arcului electric (pătrundere mare și viteza de sudare ridicată), mărește stabilitatea arcului electric, finisează transferul picăturii de metal, îmbunătățește geometria cusăturii, umectează metalul de bază.

Există două tipuri principale de sarma electrod :

Sârme pline

Sârme tubulare

Tabelul 1.1.3. Diametre uzuale ale sârmelor pline si tubulare

Clasificarea și simbolizarea sârmelor electrod și a materialului depus prin sudare în mediu de gaze protectoare cu electrod fuzibil pentru oțelurile nealiate și cu granulație fină este prezentată în tabelul 1.1.4. conform SR EN 440/96,

1.7.Gazul de protecție

Gazul de protecție are în principal rolul de a asigura protecția băii metalice și a picăturii de metal topit din vârful sârmei electrod sau la trecerea acesteia prin coloana arcului, împotriva interacțiunii cu gazele din atmosferă, oxigen, hidrogen, azot, etc..

În același timp însă gazul de protecție are o mare influență asupra desfășurării procesului de sudare în ansamblul lui, acționând asupra stabilității arcului, parametrilor tehnologici de sudare, transferului picăturii de metal topit prin coloana arcului, reacțiilor metalurgice la nivelul băii și picăturii de metal, transformărilor structurale, proprietăților mecanice și de tenacitate ale îmbinării, formei și geometriei cusăturii sudate, stropirilor, productivității la sudare, etc..

Tabelul 1.1.4. Simbolizarea sârmelor pentru sudarea MIG-MAG după compoziția chimică conform

SR EN 440-96

Aceste influențe complexe sunt determinate de proprietățile termo-fizice și de activitatea chimică a gazelor de protecție, care diferă mult de la un gaz la altul. Prin urmare pentru alegerea corectă a gazului de protecție este necesară cunoașterea acestor proprietăți, tabelul 1.1.5., tabelul 1.1.6. și efectele pe care acestea le au în procesul de sudare tabelul 1.1.7.

Clasificarea și simbolizarea gazelor pentru sudare în mediu de gaze protectoare este prezentată în SR EN 439/96, tabelul 1.1.8.

.

Tabelul 1.1.5. Proprietățtile fizice ale gazelor de protețtie, potențialul de ionizare

Tabelul 1.1.6.. Proprietățile fizice ale gazelor de protecție, densitatea

Tabelul 1.1.7. Comparația tehnologică a gazelor de protecție

Tabelul 1.1.7. (continuare)

1.8.Transferul de metal la sudarea MIG/MAG

Transferul de metal la sudarea prin topire cu arcul electric cu electrod fuzibil este un proces complex, guvernat de o diversitate mare de fenomene de natură electrică, electromagnetică, mecanică, chimică, termodinamică, etc., respectiv de intensitatea de manifestare a acestor fenomene în anumite condiții date de sudare. Aceste fenomene se manifestă prin dezvoltarea în arcul electric a unor forțe, a căror orientare și mărime determină prin echilibrul realizat la un moment dat desprinderea sau menținerea picăturii de metal topit în vârful electrodului fuzibil. Prin urmare acțiunea acestor forțe poate fi în sens favorabil desprinderii picăturii sau a împiedicării acestei desprinderi, ruperea echilibrului de forțe prin creșterea ponderii unora în detrimentul celorlalalte producând desprinderea picăturii de metal și transferul acesteia prin coloana arcului electric în baia metalică.

Modul de transfer a picăturii de metal la sudarea prin topire cu arcul electric cu electrod fuzibil diferă foarte mult de la un procedeu de sudare la altul, iar în cadrul aceluiași

procedeu depinde de condițiile tehnologice concrete de sudare. Institutul Internațional de Sudură I.I.S./I.I.W. a făcut o clasificare a formelor de transfer a picăturii de metal.

Tabelul 1.1.8. Simbolizarea gazelor de protecție pentru sudare dupĂ compoziȚia chimica conform SR EN 439-96

În cazul sudării în mediu de gaze protectoare cu electrod fuzi-bil MIG/MAG, modul de transfer a metalului topit cunoaște cea mai mare varietate de forme, ceea ce determină creșterea complexității procesului tehnologic la sudare. Practic modul de transfer a metalului topit la sudarea MIG/MAG poate fi considerat un parametru tehnologic nou, specific acestui procedeu, de care trebuie să se țină cont la elaborarea tehnologiei de sudare, prin implicațiile tehnologice și nu numai pe care le are. Modul de transfer este o caracteristică principală a procedeului de sudare MIG/MAG.

Pentru explicarea și înțelegerea corectă a fenomenelor care guvernează transferul de metal topit prin coloana arcului este importantă cunoașterea principalelor tipuri de forțe care acționează asupra picăturii și factorii care influențează mărimea acestora.

De valoarea și ponderea acestor forțe depinde în anumite condiții concrete de sudare modul de transfer a picăturii la sudarea MIG/MAG. În cele ce urmează se prezintă și analizează forțele din arcul electric și fenomenele care le guvernează.

Diversitatea fenomenelor din arcul electric determină apariția următoarelor forțe care acționează în arc și asupra picăturii de metal topit, figura 1.1.1.:

1 – forța electromagnetică Fem (forța pinch Fp);

2 – forța tensiunii superficiale Fa;

3 – forța gravitațională Fg;

4 – forța de reacție anodică Fan;

5 – Forța jetului de plasmă Fj;

6 – forța electrodinamică Fed;