I – 19UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE [622740]
I – 19UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
I.
UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE
PENTRU SUDARE PRIN TOPIRE
S-a definit sudarea prin topire casudarea realizată prin încălzirea
locală până la topire a pieselor de sudat, fără, aplicarea unei forțe, cu sau
fără utilizarea unui metal de adaos [ ].
Plecând de la ceastă definiție, utilajele și echipamentele pentru sudare
prin topire pot fi clasificate în funcție de tipul de energie folosit pen tru încălzirea
până la topire a ma terialelor (fig.I.1.).
Este necesar
ca utilajele și echi –
pamentele specifice
pentru realizarea
sudării prin topire,
constituite în surse
termice, să îndepli –
neas că următoarele
condiții [ ]:
să opereze
la o temperatură
situată semnificativ
deasupra tempe-
raturii de topire a
materialului ce se
sudează1.1);
să concentreze căldura în zona de sudare1.2);
să aibă o capacitate de încălzire suficient de mare1.3);UTILAJE ȘI ECHIPAMENTE PENTRU
SUDARE PRIN TOPIRE
UEST I
cu energie
electrică chimică radiantăcu arc
electric
prin efect
Joule
cu termit
prin topire
cu gaze
cu fascicul
de electroni
cu fascicul
laser
cu radiații
luminoase
Fig. I.1. Clasificarea utilajelor și echipamentelor
pentru sudare prin topire
1.1) În cazul în care diferența între aceste două temperaturi este mică, căldura se
transmite prin conducție termică în material aproape cu aceiași viteză cu care este
introdusă în sistem și în consecință devine dificilă încălzirea materialului la temperatura
dorită și menținerea zonei de sudare la o lățime mică.
1.2) Sursele care își dezvoltă căldura pe o suprafață mare nu se pot utiliza în
condiții normale pentru sudare.
1.3) Cantitatea de căldură sau fluxul termic necesare depind atăt de caracteristicile
fizice ale materialului, cât și de configurația și dimensiunile îmbinării.
I – 20UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
să fie reglabile și să-și păstreze constante caracteristicile
în tot timpul executării sudurii.
Ținând seama de precizările făcute, pentru realizarea procedeelor
de sudare prin topire, sunt necesare surse de tipul unor convertoare
energo-termice , la care mărimea de intrare este energia primară (electrică,
hidraulică, pneumatică, mecanică, radiantă etc.), mărimea de ieșire fiind
energia termică necesară pentru realizarea unor temperaturi apropiate de
temperatura de topire ale materialelor ce se sudează.
Pornindu-se de la convertorul energo-termic, la care se adaugă
accesorii specifice, elemente de comandă, control și reglare se obțin
utilajele și echipamentele pentru sudare prin topire .
I.1. UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE
PRIN TOPIRE CU ENERGIE ELECTRICĂ
Utilizarea energiei electrice ca sursă electrotermică pentru sudarea
prin topire, se poate face în două moduri distincte și anume:
prin descărcarea sub formă de arc electric ;
prin efect Joule , ce presupune încălzirea locală până la
topire a materialului datorită trecerii curentului electric prin material,
considerat element bun conducător de electricitate.
În baza acestor considerente se face clasificarea utilajelor și
echipamentelor pentru sudare prin topire cu energie electrică (fig.I.1.1)
I.1.1. UTILAJE șI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE
PRIN TOPIRE CU ARC ELECTRIC
Sudarea cu arc electric reprezintă un ansamblu de procedee de
sudare la care arcul electric are rol de convertor electrotermic , debitând
cantitatea de căldură necesară topirii materialelor și realizării cusăturii
sudate.
Utilajele și echipamentele pentru sudare prin topire cu arc elec-
tric au rolul de a furniza subsistemului arcul electric, având parametrii
specificați pentru realizarea în bune condiții a operației de sudare. În afară
de aceasta, asigură condițiile pentru realizarea cusăturii sudate în condițiile
tehnologice prescrise.
I – 21UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
Fig. I.1.1. Clasificarea utilajelor și echipamentelor
pentru sudare cu energie electricăUTILAJE ȘI ECHIPAMENTE PENTRU SUDARE
PRIN TOPIRE CU ENERGIE ELECTRICĂ1.4)
UESTE I.1.
cu arc
electric
prin efect
Jouledescoperit cu
electrod învelit
acoperit sub
strat de flux
în mediu de
gaz protectorsudare manuală
cu electrod culcat
gravitațională
cu electrod
nefuzibil
cu electrod
fuzibilWolfram Inert Gas
cu plasmă
cu hidrogen atomic
Metal inert GasMetal Activ Gas
1.4) Din schema prezentată se poate stabili cu ușurință, pe verticală, denumirea
utilajului destinat sudării printr-un anumit procedeu. Ex.:Utilaje pentru sudare prin topire
cu arc electric în mediu de gaz protector cu electrod fuzibil MAG. În practică se folosește
denumirea prescurtată, adică utilaj pentru sudare MAG
I – 22UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
I.1.1.1. Subsistemul sursă de curent pentru sudare – aparat de
sudare – arc electric – cusătura sudată
Subsistemul sursă de curent – aparat de sudare – arc electric –
cusătura sudată (fig.I.1.2), face parte dintr-un sistem tehnologic mai gen-
eral (ce cuprinde subsistemele de manipulare, de comandă și de reglare),
ce determină condițiile impuse utilajelor și echipamentelor pentru sudarea
prin topire cu arc electric.Între elementele subsistemului există anumite
corelații, în sensul că sursa, prin intermediul aparatului de sudare, spe-
cific fiecărui procedeu, crează arcul, care la rândul său determină calitățile
îmbinării sudate. Între elemente se produce o reacție negativă în sensul
că cusătura sudată impune arcului anumiți parametrii, acesta din urmă
dictând sursei necesarul de energie pentru obținerea lor. Este foarte im-
portant de cunoscut interacțiunea dintre elementele sistemului și acești
parametrii pentru a se putea stabilii calitățile energetice pe care trebuie
să le îndeplinească sursa pentru a genera un arc electric stabil, care să
poată executa o cusătură de bună calitate.
Utilajele și echipamentele pentru sudare prin diverse procedee,
împreună cu operatorul uman trebuie să asigure buna desfășurare corectă
și controlată a principalelor operații implicate de aplicarea oricărui procedeu
de sudare cu arc electric.
Pentru ace asta trebuie să fie bine definite și cunoscute elementele
subsistemului prezentat, luându-se în considerare posibilitățile de sudare
cuelectrod fuzibil sau cu electrod refractar (fig.1.1.3) .
Lasudarea cu electrod fuzibil , subsistemul furnizează prin topire
materialul de adaos necesar pentru realizarea sudurii, iar la sudarea cu
electrod refractar are rolul de a menține stabil arcul electric de sudare,
materialul de adaos fiind furnizat separat.
Rezultă deci că pentru executarea sudării a două componente
metalice sunt necesare îndeplinirea următoarelor condiții / /:
menținerea arcului electric de sudare într-o stare staționară ,Fig.I.1.2. Subsistemul sursă de curent pentru sudare – aparat de
sudare – arc electric – cusătura sudată
I – 23UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
asigurându-se controlul curentului de sudare Is, a tensiunii pe arc Ua, precum
și a mediului în care are loc descărcarea (dacă este cazul);
asigurarea continuității aducerii materialului de adaos în
arcul electric de sudare , cu viteza de avans va;
deplasarea arcului electric de-alungul rostulu i 1.5), cu viteza
de sudare vs, pentru topirea marginilor rostului și formarea împreună cu
metalul topit, provenit de la materialul de adaos, a băii metalice topite
(baia de sudură);
urmărirea rostului și umplerea sa uniformă , astfel încât,
după solidificarea băii metalice topite să rezulte o cusătură continuă, cu
dimensiuni constante.
Îndeplinirea acestor condiții conturează structura unui utilaj pentru
sudare prin topire cu arc electricFig.I.1.3. Schema principalelor operații și parametrii specifici
procedeelor de sudare cu arc electric.
a) cu electrod fuzibil; b – cu electrod refractar.
vs – viteza de sudare; va – viteza de avans a materialului de adaos; Us
tensiunea sursei; Is – curentul de sudare; Ua – tensiunea arcului;
La – lungimea arculuia) b)va
vsIs
UsUsIs
vavsMaterial de adaos
(electrod)
Arc electric
(Ua, La)Arc electric
(Ua, La)
Cusătura
sudatăPiesa
(metal
de bază)Cusătura
sudatăMaterial de
adaos
Electrod
nefuzibilSursa de
sudare
Piesa
(metal
de bază)Sursa de
sudare
Baia de
metal
topitBaia de
metal
topit
1.5) Prin rost se înțelege spațiul dintre suprafețele frontale ale pieselor ce urmează
a fi îmbinate prin sudare. Există rosturi neprelucrate în formă de I sau T și rosturi prelucrate
în formă de V, U sau Y
I – 24UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
I.1.1.2. Bazele fizice ale sudării cu arc electric
Prinarc electric , în sensul cel mai general, se înțelege o descărcare
electrică autonomă, în gaze sau vapori metalici, caracterizată printr-
o densitate mare a curentului de descărcare, stabilă pentru valori
mici ale tensiunii pe arc .
Descărcarea sub formă de arc electric este determinată de o serie
întreagă de parametrii cum ar fi:
natura gazului în care are loc descărcarea, înțelegând
prin aceasta felul gazului sau amestecului de gaze, precum și proprietățile
fizico chimice ale gazului;
starea gazului , neutră, ionizată sau excitată;
corpurile între care se formează descărcarea , din punct
de vedere al compoziției chimice, structurii atomice, a dimensiunilor și
temperaturii acestora;
temperatura mediului ambiant ;
lungimea descărcării sub formă de arc electric.
Condiția îndeplinirii optime a tuturor condițiilor enunțate va determina
un arc stabil și în ultima instanță o îmbinare sudată de bună calitate.
I.1.1.2.1. Structura
arcului electric
Arcul electric nu
are o structură omogenă,
fiind caracterizat de
(fig.I.1.4):
pata catodică
aflată pe electrodul legat
la polaritate ( -) cu zona
catodică aferentă;
pata anodică
aflată pe baia de metal
topit de pe piesă deasu-
pra căreia se găsește
zona anodică ;
coloana arcului
(plasma arcului), cuprinsă
între zona catodică și+-
pata catodicăzona catodicăelectrod
piesăbaie de metal topitpata anodicăzona anodică
coloana arcului
r
z
Fig.I.1.4. Modelul fenomenologic al arcului
electric de sudare în coordonate polareaureola arcului
I – 25UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
zona anodică;
aureola arcului , cuprinzând coloana luminoasă ce înconjoară
arcul.
Modelul fenomenologic prezentat, este util pentru descrierea
procedeelor de sudare, la evaluarea fenomenelor fizice ce apar în arc, la
evaluarea proceselor termice și la descrierea formării băii de sudare,
respectiv a mecanismelor de transfer de metal (în cazul sudării cu mate-
rial de adaos) de la electrod la piesă.
Luând în considerare elementele specifice ale arcului electric,
pentru descrierea lor, se utilizează modelul geometric simplificat (fig.I.1. 5)
în care s-a considerat coloana arcului ca fiind de formă cilindrică.
Apariția diferitelor zone ale arcului electric este determinată de
neuniformitatea câmpului electric în lungul descărcării, condiționată de
existența unor sarcini electrice excedentare localizate în zonele catodice
și anodice.
dK
dC
dAlklAlC
la
+-
UAUCUK
UaO
Ul
Fig.I.1.5. Modelul geometric al arcului electric de sudare
la – lungimea arcului; lA – lungimea zonei anodice; lC – lungimea
coloanei arcului; lk – lungimea zonei catodice; dA – diametrul petei
anodice; dC – diametrul coloanei arcului; dK – diametrul petei
catodice; Ua – căderea de tensiune pe arc; UA – căderea de tensiune
anodică; UC – căderea de tensiune pe coloana arcului; UK – căderea
de tensiune catodică
I – 26UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
Catodul metalic furnizează electronii necesari arcului electric pe
seama electronilor liberi aparținând ultimului înveliș electronic ai atomilor
constituenți.Teoriile electronice moderne admit existența acestor electroni
ce se deplasează într-un sens sau altul prin tot volumul catodului. Viteza
de mișcare a acestor electroni crește odată cu creșterea temperaturii și
la ieșirea de pe suprafața metalului efectuează un anumit lucru mecanic
pe seama energiei sale de mișcare.
Emisia electronilor pe suprafața catodului poate fi produsă ca urmare
aemisiei termoelectronice ,autoelectronice (ca urmare a aplicării unui
câmp electric intens la suprafața catodului, motiv pentru care se mai
numește și emisie de câmp ),fotoelectronice șiemisiei secundare (ca
urmare a bombardării catodului de către ionii pozitivi ce provin din coloana
arcului).
Energia necesară pentru ca electronii să poată părăsi catodul, deci
posibilitatea să se producă emisia electronică, este obținută de la o sursă
exterioară.
La apariția descărcării în arc se formează pata catodică, având o
suprafață bine determinată, explicată prin faptul că efectul emisiei termo-
electronice crește exponențial
cu temperatura catodului.
Dacă la suprafața cato-
dului se produce o variație de
temperatură, sub forma unei
pete termice , aceasta este
foarte lentă în comparație cu
variația strălucirii petei catodice
și a emisiei catodului (fig.I.1.6).
Căldura cedată de pata
catodică se va răspândi pe toată
suprafața catodului realizând
așa numita pată termică . Se
remarcă însă, că emisia
electronică va avea loc numai
în zona temperaturilor mari,
adică în pata catodică. Datorită
acestui fapt pata catodică are
dimensiuni nete în raport cu
pata termică.
Electronii mișcându-seT emperatură
Strălucire
Emisie
electronică
pata termică
pata
luminoasăpata
catodică
Fig.I.1.6. Formarea petelor pe catod
I – 27UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
în câmpurile electrice periodice, create de ansamblul electronilor și ionilor
din metal, posedă o energie potențială ce se schimbă și ea periodic.
Distribuția vitezelor electronilor liberi în metal este dată de legea lui Fermi ,
motiv pentru care valoarea maximă a energiei cinetice se numește energia
critică a distribuției Fermi și se notează Wi, având expresia:
002
id2qdx)x(F W (I.1.1)
în care F(x) este forța ce atrage electronul spre metal, datorată stratului
dublu electronic ce se formează în jurul metalului, în urma ieșirii unor
electroni și forța de imagine datorată polarizării metalului, provocată de
electronii ce au părăsit suprafața metalului; q – sarcina electronului în
valoare absolută; d0 – distanța între atomi. Se observă că energia de ieșire
a metalului este cu atât mai mică cu cât este mai mare distanța între
atomii metalului.
Unii electroni, în mișcarea lor dezordonată, aflați la suprafața limită
și având energii suficient de mari pot părăsi metalul. În acest fel acesta
rămâne încărcat electropozitiv, ceea ce generează o forță de atracție
orientată spre catod. Rezultă deci că energia cinetică totală Wa, pe care
trebuie să o aibă electronul pentru a părăsi metalul este:
0 i aWWW (I.1.2)
în care Wo este energia necesară electronului pentru a învinge forța ce îl
atrage spre interiorul metalului.
La suprafața metalului se formează o barieră de potențial,
caracterizată de distanța lk, de dimensiunile drumului liber mijlociu a
electronului, având ordinul de mărime 6 ·10-7 [m] și de câmpul electric E
având intensitatea de 108 -109 [V/cm].
Zona catodică este determinată de norul de sarcină spațială pozitivă
(ioni pozitivi), emiși de plasma coloanei arcului și colectați de catod.Tocmai
din acest motiv, căderea de tensiune catodică este foarte mare, având
valoarea Uk = 8 – 20 V. Se face precizarea că în zona catodică nu au loc
reacții de recombinare, deoarece electronii, de masă mult mai mică ca a
ionilor, se deplasează în preajma catodului cu o viteză foarte mare, dar nu
au suficientă energie cinetică pentru a putea acționa asupra ionilor pozitivi.
Plasma descărcării în arc începe de la catod, la limita zonei catodice,
unde electronii dispun de o energie suficientă pentru ionizarea gazului
Coloana arcului reprezintă zona cea mai extinsă a descărcării,
având o formă geometrică tronconică alungită. Coloana arcului, datorită
I – 28UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
stării termice ridicate, determină o puternică ionizare de natură termică,
ceea ce conferă plasmei termice specifice din coloană o conductivitate
electrică comparabilă cu a metalelor.
În coloana arcului există un amestec complex de electroni, ioni
pozitivi și negativi, atomici și moleculari, particule rapide sau vibrante,
reacții de ionizare sau de recombinare , toate într-un ansamblu general de
quasineutralitate electrică .
Emisia puternică de electroni în spațiul catodului, precum și
accelerarea lor în câmpul electric, provoacă ionizarea spațiului gazos din
coloana arcului , creând condițiile necesare pentru arderea acestuia.
Probabilitatea ca electronii emiși să întâlnească atomi în coloană este
foarte mare, ceea ce determină un proces de ionizare de forma:
e2 AAe (I.1.3)
fenomen în care ia naștere ionul pozitiv A+ ce se îndreaptă spre catod și
doi electroni ( e2) care măresc sub formă pătratică probabilitatea de ciocnire
cu atomii neutri și deci măresc posibilitatea majorării numărului ionilor
pozitivi.
În anumite situații din această reacție se formează ioni rapizi , care
prin ciocnire cu un atom neutru poate forma un ion multiplu încărcat:
en B AB An r (I.1.4)
unde cu r au fost marcate particulele rapide. Prin ionizarea gazului cu ioni
rapizi se formează în special ioni lenți, cu energie mică și electroni cu
energie foarte mare.
La trecerea ionilor prin plasma arcului se poate produce și un schimb
de electroni între ionul rapid și atom, în urma căruia apare un atom rapid și
un ion lent:
BAB Ar r(I.1.5)
Acest proces capătă o importanță deosebită deoarece conduce la
micșorarea numărului de ioni rapizi și la apariția unor ioni lenți, necesari
pentru o bună stabilitate a arcului.
De multe ori prin ciocniri apare transferul de sarcină între atomi de
același fel sub formă de reacție de rezonanță simetrică sau sub formă de
reacție asimetrică :
B A BAA A AA
(I.1.6)
În transferul relativ de sarcină, excesul de energie internă poate fi
I – 29UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
parțial radiat:
hB A BA (I.1.7)
h fiind cuanta de energie elementară (Planck).
În afară de aceste fenomene, dacă coloana arcului conține gaze sau
vapori ale unor metale în care energia de afinitate pentru electron1.6)este
pozitivă, se pot forma și ioni negativi1.7) printr-un proces de captare de către
un atom sau moleculă a unui electron, cu formarea unei cuante de energie
h, sau prin captarea electronului de către o moleculă, cu disocierea
ulterioară a acesteia:
h AeA
B Ae AB (I.1.8)
Formarea ionului negativ se poate produce și prin disocierea moleculei
în ioni , prin ciocnire electronică, fără captarea ionului incident:
e B Ae AB (I.1.9)
Pe lângă procesele de formare a particulelor încărcate, în plasmă
se produc și procese de recombinare a unui atom molecular cu un elec-
tron, surplusul de energie transformându-se în energie de vibrație (notată
*):
BA ABe AB* , (I.1.10)
prinrecombinarea prin ciocnire triplă , energia suplimentară degajată fiind
preluată de a treia particulă:
rBABe A (I.1.11)
sau prin recombinarea iono-ionică , prin neutralizare reciprocă, energia de
recombinare transformându-se în energie de excitare sau energie cinetică:
* *BABA (I.1.12)
Din cele arătate rezultă că plasma arcului este un amestec com-
plex de electroni, ioni pozitivi și negativi, atomici și moleculari, particule
neutre din punct de vedere electric etc.
Datorită caracterului neutru din punct de vedere electric, căderea
de tensiune în coloana arcului este relativ redusă ( Uc = 1 – 5 [V]) și
1.6) Energia de afinitate este egală cu diferența dintre energia atomului în starea
fundamentală și energia stării fundamentale a ionului negativ corespunzător.
1.7) Au fost puse în evidență o serie întreagă de elemente chimice a căror atomi
formează ioni negativi: H, C, N, Na, Mg, Al, Si, P, K, Fe, Cu etc.
I – 30UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
intensitatea câmpului este practic constantă în lungul ei.
Se remarcă că datorită ionilor pozitivi apare în arc un curent de
semn contrar curentului debitat de sursă și care se scade din curentul
principal. În consecință, cu cât sarcina ionică este mai bogată, cu atât
curentul absorbit de descărcare de la sursă este mai mic.
Plasma fiind neutră din punct de vedere electric, densitatea
particulelor pozitive este egală cu densitatea particulelor negative, în spe-
cial electroni. Dacă aceștia sunt scoși din poziția de echilibru, de exemplu
de către câmpul electric intens dintre catod și anod, densitatea într-o
anumită regiune crește, electronii se vor respinge reciproc și vor tinde să
se întoarcă în poziția de echilibru. În această mișcare de întoarcere ei
dobândesc energie cinetică, fapt ce-i face să depășească poziția de
echilibru, în felul acesta dând naștere la oscilații cu frecvența p, numită
frecvența plasmei . Concluzia este foarte importantă, căci dacă se dorește
tratarea arcului cu oscilații de înaltă frecvență, acestea trebuie să aibe
frecvența mai mare decât frecvența plasmei, fapt ce va permite propagarea
lor în coloana arcului. Dacă frecvența este mai mică decât frecvența plasmei,
oscilația se va reflecta înapoi spre punctul de emisie.
În descărcarea sub formă de arc, anodul este socotit a fi un colec-
tor de electroni. Spre deosebire de catod, care participă activ la amorsarea,
întreținerea și stabilitatea arcului electric, anodul are un rol pasiv .
S-a observat că coloana arcului nu se întinde până la anod, ci rămâne
un spațiu, numit zonă anodică , care nu mai are proprietățile plasmei și
care este caracterizată printr-o sarcină spațială negativă. Norul electronic
din zona anodică are o stare termică mult mai redusă decât coloana arcului,
ceea ce conduce la concluzia că ionizarea este mult mai redusă. Sarcina
spațială negativă determină apariția unui câmp electric anodic , care
accelerează electronii, ce vor bombarda anodul, având ca efect local
încălzirea, topirea și vaporizarea (parțială) a anodului, ceea ce duce la
formarea băii metalice topite. Căderea de tensiune anodică este mică ( Ua
= 2 – 8 [V]).
I.1.1.2.2. Aspecte fizice privind amorsarea
arcului electric pentru sudare
Una din problemele foarte importante referitor la arcul electric pentru
sudare este amorsarea acestuia, care este posibilă cu sau fără atingerea
electrodului de piesă.
I – 31UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
În cazul în care între electrod și piesă este asigurată o descărcare de
înaltă frecvență și tensiune , superioară tensiunii de străpungere a mediului
gazos dintre acestea, arcul electric amorsează fără un contact fizic direct
(la utilajele pentru sudare WIG, cu plasnă etc.)
În majoritatea cazurilor se asigură o încâlzire intensă a spațiului
dintre electrod și piesă printr-o atingere de scurtcircuitare , ceea ce induce
pentru sursa de curent, ce asigură alimentarea arcului, un regim greu de
funcționare din punct de vedere electric.
Este de aceea necesar să cunoaștem fenomenele fizice legate de
acest fenomen, pentru a determina condițiile pe care trebuie să le
îndeplinească sursa de curent pentru sudare.
Suprafața de contact dintre electrod și piesă prezintă anumite
neregularități, ceea ce face ca cele două elemente să se atingă numai în
câteva puncte, prin intermediul unor proeminențe cu suprafețe extrem de
mici, ce devin punți conductoare de trecere a curentului.
În cazul materialelor de contact solide, sub acțiunea forței de
apăsare, piesele de contact se vor atinge în maximum trei puncte / /. În
mod obișnuit, sub acțiunea unei presiuni de apăsare relativ mici, cât și
datorită încălzirii prin efect Joule la trecerea curentului electric prin zonele
de contact, vârfurile de contact se deformează elastic, transformându-se
în zone microscopice de contact, putând să apară și noi puncte de con-
tact. Suma tuturor acestor suprafețe microscopice de atingere constituie
suprafața microscopică reală totală de contact (Ar), a cărei arie este
considerabil mai mică decât suprafața macroscopică aparentă de con-
tact(Aa) (fig. I.1.7).
Dimensiunile și numărul suprafețelor reale de contact depind de
rezistența mecanică de deformare a materialului pieselor conductoare
și de forța de apăsare F:
FAr (I.1.13)
În porțiunea contactelor se disting trei zone:
zone de contact pur metalic , prin care trece curentul de la
sursa de sudare;
zone de contact quasimetalic , care este acoperită de
pelicule extrem de subțiri, ce permit trecerea curentului grație efectului
tunel sau străpungerii peliculei;
zone acoperite cu pelicule monomoleculare izolatoare ,
care opun o rezistență mare în calea trecerii curentului.
I – 32UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
În baza acestor precizări rezultă că aria de conducție ( Ac) este
constituită din primele două zone și se consideră egală cu aria macroscopică
reală de contact, adică:
r cA A (I.1.14)
În baza celor arătate, rezistența de contact Rc are două componente:
rezistența de stricțiune (de trecere) Rs șirezistența peliculară Rp:
p s c R R R (I.1.15)
Rezistența de stricțiune se datorează naturii rugoase a suprafețelor
de contact. Trecerea strangulată a liniilor de curent prin suprafața de
conducție crează o creștere substanțială a rezistenței de contact. În
conformitate cu teoria contactelor / / rezistența de stricțiune tricontactă
Rs3va avea valoarea:
F3,0 R3s (I.1.16)
în care este rezistivitatea electrică a metalelor aduse în contact.
Dacă prin contacte trece curentul Is de la sursa de sudare, rezistența
de stricțiune tricontactă Rs3, conform legii lui Ohm va provoca căderea de
tensiune Us:
s s3s s IF3,0I R U (I.1.16)
Rezistența peliculară este produsă de existența pe suprafețele aduse
în contact a unor pelicule semiconductoare care strică contactul pur metalic,Linii de curent
electrod
piesă
a) b)contact
pur
metalic
contact
quasimetalicpelicule
izolatoare
Fig.I.1.7. Aspectul microscopic rugos (a) și suprafețele de
contact dinte electrod și piesă (b)AaAr
I – 33UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
opunând o rezistență în calea trecerii curentului. Aceste pelicule nu sunt
altceva decât straturi subțiri de oxizi și alte corpuri străine. Din teoria
contactelor / /, rezistența peliculară se poate exprima cu relația:
rp
pAdR
(I.1.17)
undepeste rezistivitatea stratului semiconductor și d grosimea lui.
Notând rezistivitatea peliculară cu dp p și ținând seama de
relația I.1.17, rezultă:
FRp
p (I.1.18)
Revenind la forma generală a rezistenței de contact avem:
F F3,0 Rp
c (I.1.19)
Datorită trecerii curentului Is prin rezistența punctele de contact de
suprafață Ar se produce o încălzire locală puternică, materialul se plastifiază,
suprafața se mărește, până când, la un moment dat, se formează o punte
de metal topit între electrod și piesă care, datorită forțelor electrodinamice
se strangulează, producând ruperea ei și amorsarea arcului.
Formarea punții de metal și ruperea ei a fost bine studiată / /
punându-se în evidență dependența dintre forța radială de rupere Fr și
curentul de scurtcircuit Ik, printr-o relație de forma:
2
k r IkF (I.1.1.20)
în care k este o constantă dependentă de material, (proprietăți mecanice,
termice, electrice). Se observă că forța de rupere este proporțională cu
pătratul curentului de sudare la valoarea de scurtcircuit.
I.1.1.2.3. Arcul electric pentru sudare
Arcul electric, utilizat la sudarea prin topire, diferă de la procedeu la
procedeu (fig.1.1.8), ceea ce permite o clasificare (fig.I.1.9), funcție de
următoarele criterii:
după tipul electrodului utilizat, distingem:
arc electric pentru sudarea cu electrod fuzibil .
Electrodul asigură pe de-o parte arcul stabil ca sursă termică dar și
I – 34UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
materialul de adaos care se obține prin topirea acestuia. În acest fel pi-
căturile de metal topit din materialul electrodului parcurg toată lungimea
arcului fiind supuse și unor fenomene electrodinamice specifice;
arc electric pentru sudare cu electrod refractar .
Electrodul este realizat dintr-un material nefuzibil, fiind răcit în cele mai
multe cazuri cu apă sau aer. El are rolul numai de a menține arcul stabil,
furnizând energia termică necesară topirii materialului de adaos, furnizat
separat, picăturile de metal traversând numai o porțiune a arcului, antrenate
de forțele gravitaționale și forțele electrodinamice din coloana arcului;
după modul de alimentare cu energie electrică există:
arcul electric de curent continuu alimentat de la o
sursă polarizată. Arcul arde fără întreruperi pe tot timpul executării sudu-
rii. Din punct de vedere a modului de legare la sursă distingem arcul cu
polaritate directă , la care anodul (polaritatea -) este electrodul și arcul
cu polaritate inversă la care electrodul devine anod . Modalitatea de legare
a sursei la ansamblu electrod-piesă are o mare influență asupra geometriei
sudurii (fig.I.1.10).
arcul electric de curent alternativ , alimentat de la o sursă
care își schimbă polaritatea periodic. O particularitate a acestui arc o
constituie stingerea și reaprinderea arcului la fiecare trecere prin zero aGaz
protector(+); (-); ()
(-); (+); ()(+)
(-)Gaz
protector
(+); (-); ()
(-); (+); ()
(-); ()
(+); ()()3 ()(+); (-); ()
(-); (+); ()
a)
e)b) c) d)
f) g)
Fig.I.1.8. Arce electrice utilizate în tehnica sudării.
a) arc electric descoperit; b) arc electric acoperit sub strat de flux; c)
arc protejat cu gaze, cu electrod fuzibil; d)arc protejat cu gaze cu
electrod nefuzibil; e) arc constrâns; f)arc electric trifazat; g) arc electric
indirect
I – 35UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
Fig.I.1.9. Clasificarea arcelor electrice utilizate la sudareArcul
electric
de sudareDupă tipul
electrodului
După modul
de alimentare
cu curent
electric
După modul
de protecție a
arcului
După modul
de ardere
După
lungimea
arcului
După arderea
arcului în
raport cu
piesa de
sudatcu electrod fuzibil
cu electrod
refractar
cu curent continuu
cu curent alternativ
descoperit
acoperit sub fluxcu polaritate directă
cu polaritate inversă
monofazat
trifazat
cu arc liber
cu arc constrânsde câmpuri
electromagnetice
mecanic
cu jet de fluidlung
scurt
înnecat
direct
indirect
tensiunii de alimentare. Condițiile de ardere a acestui arc sunt deosebite,
deoarece cu frecvența de alimentare se schimbă și catodul cu anodul apărând
anumite fenomene ce îngreunează menținerea stabilității lui. La rândul lui
arcul electric de curent alternativ poate fi monofazat , când se utilizează o
singură fază pentru alimentarea sistemului electrod – piesă de sudat, sau
trifazat , când se utilizează toate trei fazele rețelei trifazate de curent alternativ,
fiind compus din arce care ard succesiv între doi electrozi sau între electrozi
și piesa de sudat;
după modul de protecție a arcului distingem:
arcul electric descoperit , ce arde protejat prin
vaporizarea unor elemente ce constituie învelișul electrodului sau de anumite
gaze, ce au rolul de a mări potențialul de ieșire, a menține stabili tatea arcului
și de a prot eja cusătura sudată de efectul agenților externi;
arcul electric acoperit , ce arde sub un strat de
material numit flux ce are același rol ca și materialele învelișului sau gazelor
de protecție de la sudarea cu arc electric descoperit;
după modul de ardere a arcului (fig.I.1.11) există:
I – 36UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
arcul liber , ce arde normal între electrod și piesă;
arcul constrâns , ce arde cu ajutorul câmpurilor elec-
tromagnetice , prin modalități mecanice (trecerea arcului printr-un orificiu
cu secțiune redusă practicat într-o piesă răcită puternic cu apă) sau cu
ajutorul unui jet de fluid ;
după lungimea arcului distingem:
arc lung , la care materialul metalic topit din electrod
trece prin coloana arcului fără a crea punți de scurtcircuitare. La acest tip
de arc transferul metalului topit se poate face normal , sub formă de picătură
care se depune în baia de metal topit și transfer fin, când datorită curenților
mari și a cantității de gaze conținute în picătură, care se dilată, aceasta
se divizează ajungând în baie sub formă fragmentată. O variantă a arcului
lung este arcul pulsat , obținut prin introducerea peste descărcarea sub
formă de arc a unei componente pulsatori (de frecvență 0,5 – 100 Hz) ce
determină o creștere periodică puternică a densității de curent, având caFig.I.1.11. Exemple de arc liber și arc constrâns.
a) arc normal; b) arc constrâns mecanic – arc de plasmă; c) arc
constrâns mecanic – jet de plasmă; d) arc constrâns prin câmpul
electromagnetic H; e) arc constrâns cu jet de fluid.Is(-)
(+)
a)Is(-)
(+)
b)Is(-)
(+)
c)Is(-)
(+)
d)Is(-)
(+)
e)H HFig.I.1.10. Arce cu polaritate directă și inversă și influența asupra
geometriei sudurii.
a) la sudarea WIG; b) la sudarea manuală cu electrozi învelițipolaritate
directăpolaritate
inversă
+––
–anod catodod++
–
+
b)+––
–anod catodod++
–
+polaritate
directăpolaritate
inversă
a)
I – 37UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
efect pulverizarea capătului electrodului și transportul stropilor formați spre
baia metalică;
arc scurt , la care materialul topit atinge baia de metal
topit fără a se desprinde de capătul electrodului, realizând un scurcircuit
ce determină creșterea densității de curent și apariția unor forțe
electrodinamice transversale, care vor gâtui metalul topit și vor detașa
picătura;
arc înnecat , apare când avansul electrodului către
piesa de sudat este mai mare decât viteza de topire, corespunzătoare
curentului nominal de sudare, situație în care arcul electric își micșorează
tot mai mult lungimea până când electrodul atinge baia de metal topit și
pătrunde sub nivelul ei, determinând topirea materialului electrodului cu o
viteză sporită;
după modalitatea în care arde arcul în raport cu piesa de
sudat, avem:
arc electric direct , ce arde între electrod și piesa
de sudat;
arc electric indirect ce arde între doi electrozi
separați, energia termică furnizată fiind folosită pentru topirea materialului
de bază și realizarea sudurii.
La arderea arcului electric alimentat cu un curent de densitate j,
are loc o interacțiune cu câmpul magnetic circular propriu, de inducție B,
manifestată printr-o forță F dată de produsul vectorial:
BjF
[N] (1.21)
ce produce devieri ale traiectoriei purtătorilor de sarcină (electroni și ioni)
spre axul coloanei. Acest lucru determină o coloană a arcului mai
concentrată, mai stabilă și mai fierbinte / / cu o presiune statică interioară
mai mare decât a mediului înconjurător.
In arcul electric se manifestă și presiuni dinamice, datorate vitezei
mari de deplasare a particulelor prin arc, având ca efect deformarea băii
metalice de sudare, favorizând pătrunderea I.9). Pe de altă parte presiunile
dinamice determină forțe, favorabile transportului picăturilor metalice prin
arc, mai mari decât forțele gravitaționale.
Datorită câmpului electric a particulelor încărcate cu același tip de
sarcină coloana arcului are o tendință de dispersie, mai mică la sudarea
cu electrod fuzibil (fig.I.1.12).
În consecință, forma coloanei arcului rezultă prin echilibrarea forțelor
magnetice și electrice. La creșterea secțiunii arcului scade presiunea din
I – 38UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
arc ceea ce determină scăderea adâncimii de pătrundere la sudare.
Dacă se iau în considerație două arce electrice, acestea pot fi conside-
rate conductoare parcurse de curent și interacționează reciproc producând
o deviație care se numește
suflaj magnetic sau suflul
arcului (fig.I.1.13). Suflajul
magnetic mai poate apare și ca
urmare a interacțiunii arcului cu
câmpul magnetic din circuitul de
sudare sau cu părțile fero-
magnetice masive ale pieselor
(fig.I.1.14). Suflul acului este un
fenomen nedorit deoarece îngre-
unează realizarea îmbinării
sudateI.9).
Când se sudează cu
curenți mari, la întreruperea
curentului apare fenomenul de autoinducție , ceea ce determină o aspirație
a metalului lichid din baie determinând impurificarea zonei prin pătrundere
de gaze. Acest inconvenient poate fi eliminat prin anularea progresivă a
curentului de sudare.
I.1.1.2.3.1. Arcul electric de curent continuu+ +- –
a) b)
Fig. I.1.12. Formarea coloanei arcului
a) cu electrod fuzibil; b) cu electrod
nefuzibil
I.9) Pătrunderea este o mărime geometrică caracteristică a îmbinării sudate și
poate fi definită ca distanța de la planul exterior la zona influențată termomecanic – vezi
cusătura sudată.Fig.I.1.13. Interacțiunea
arcelor electrice
a) arce gemene; b) arce
independente inverse+ – – –
+ + –
a) b)
Fig.I.1.14. Exemple decazuri de
producere a suflajului magnetic
I – 39UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
Din punct de vedere al utilajelor și echipamentelor pentru sudare
arcul electric este luat în considerație prin caracteristica statică .
Caracteristica statică este definită ca legătura funcțională între tensiunea
arcului Uași curentul prin arc Ia,pentru o valoare constantă a lungimii
arcului Lași pentru valori constante a factorilor fizici și chimici ce pot
influența condițiile de ardere ale acestuia (compoziția electrozilor, mediul
în care arde arcul etc. / /. Caracteristica se numește statică întrucât la o
variație a curentului suficient de lentă, tensiunea arcului este egală cu
valoarea indicată pe caracteristică. La o variație în treaptă a curentului,
constanta de timp a procesului tranzitoriu în care tensiunea ajunge la
valoarea stabilizată (cuprinsă între limitele 2,5 ·10-4 – 5 ·10-3 [s]) conferă
arcului o inerție relativ mică.
Lungimea arcului La (aproximativ egală cu lungimea coloanei,
zonele catodice și anodice având dimensiuni foarte mici) are două
componente și anume lungimea externă Le egală cu lungimea arcului
între vârful electrodului și suprafața inițială a materialului de bază și
lungimea internă Li definită ca lungimea arcului între suprafața materialului
de bază și fundul craterului topiturii.
Variația tensiunii arcului este proporțională cu lungimea sa și, cu
condiția ca valoarea curentului să fie constantă, deoarece este determinată
numai de variația căderii de tensiune pe coloana arcu lui (căderile de ten siune
catodice și anodice și câmpul I.10) în coloană sunt constante).
Condițiile particulare în care arde un anumit arc electric de sudare
determină diferite forme ale caracteristicii statice sub aspectul pantei
acesteia / / (fig.I.1.15).
Se definește rezistența statică a arcului electric prin relația:
0IUR
aa
a
(I.1.22)
șirezistența dinamică (diferențială ):
a
aa
ad tgIUR (I.1.23)
în care tga este tangenta la caracteristică într-un punct considerat.
Se observă pe caracteristica statică generală existența a trei zone
cu aluri diferite, ce sunt caracterizate de semnul rezistenței diferențiale a
I.10) Intensitatea câmpului electric în coloană variază între limitele1,8 – 3,5 V ·mm-1.
Sub acest aspect inerția arcului este mică și se poate neglija.
I – 40UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
arcului:
zona căzătoare a caracteristicii statice, cu Rad< 0 șia> 90o
ce corespunde unei densități de curent prin electrod sub 10 [A/mm2]. Se
observă o scădere însemnată a tensiunii odată cu creșterea curentului,
fenomen care are loc ca urmare a creșterii gradului de ionizare, ceea ce
determină o micșorare a intensității câmpului electric în coloană. Pe de altă
parte are loc o creștere a conductivității electrice a coloanei datorită măririi
secțiunii sale transversale. Acest tip de caracteristică este întâlnită la sudarea
WIG în mediu de argon și la sudarea cu electrozi înveliți unde sunt necesare
valori mici ale curentului ( 70 [A]);
zona rigidă a caracteristicii statice cu Rad 0 șia 180o
ce corespunde unei densități de curent de 10 – 50 [A/mm2]. Se observă
independența tensiunii la variația curentului explicată prin creșterea ariei
secțiunii transversale a coloanei, proporțional cu valoarea curentului. În
domeniul curenților 300 – 500 [A] se observă un ușor caracter urcător
datorat unei valori pozitive mici a rezistenței diferențiale. Acest tip de
caracteristică este utilizat pentru sudarea manuală cu electrod învelit ce
utilizează curenți de 70 – 100 [A] și la sudarea sub flux;
zona urcătoare a caracteristicii statice cu Rad> 0 șiaa< 90o
ce corespunde unei densități de curent de 50 – 200 [A/mm2]. Creșterea
tensiunii odată cu creșterea curentului se explică prin faptul că pata60
50
40
30
20
10
0 10 210 3caracteristică
căzătoarecaracteristică
rigidăcaracteristică
urcătoare
a>90oa180oa<90oLa1La2Rad<0 Rad0 Rad>0La1<La2Ua
[V]
Ia [A]
Fig. I.1.15. Caracteristica statică a arcului electric
I – 41UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
catodică ocupă întreaga secțiune transversală a electrodului și nu mai
poate crește odată cu creșterea curentului, fapt ce determină apariția în
zona catodică a unui câmp electric foarte intens ceea ce mărește ponderea
emisiunii autoelectronice. De asemenea în cazul arcului constrâns (de
exemplu la sudarea cu jet de plasmă), existența ajutajului prin care trece
coloana arcului împiedică creșterea diametrului acesteia odată cu mărirea
curentului. Acest tip de caracteristică se utilizează în special la sudarea
MAG.
Limitele de separație între zone sunt determinate de condițiile
particulare de ardere a arcului și sunt deplasabile în funcție de / /:
natura și compoziția mediului de ardere a arcului;
compoziția materialului electrodului;
diametrul electrodului;
condițiile de răcire ale electrodului și piesei.
Pentru aproximarea caracteristicii statice a descărcării sub formă
de arc electric se propun o serie întreagă de expresii empirice (tabelul
I.1), dar acestea au o valabilitate restrâsă, determinată de factorii care
o afectează / /:
tipul și presiunea gazelor (amestecului de gaze);
lungimea arcului ;
materialele elctrodului și a piesei ;
geometria și diametrul electrodului .
În expresiile prezentate s-au utilizat următoarele notații:
a [V] – suma căderilor de tensiune anodică și catodică,
constantă pentru un anumit mediu de descărcare, materialul electrozilor
și presiunea gazului;
Model
AYRTON
NOTTINHEM
FRÖHLICH
COOKExpresii Observații
valabil la curenți mici
valabil la curenți mici – se
consideră și dependența
de temperatura absolută, T
[K], de fierbere a anodului
valabil la curenți > 150 A
valabil la sudarea cu
electrod nefuzibila 43
2 1 aa a4n a aa a
LBIBBIB ULba UT 1062,2nILadcLba UILadcLba U
Tabelul I.1.1.
I – 42UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
b [V/mm] – intensitatea câmpului electric în coloana arcului;
c [VA], d [VA] – constante dependente de materialul gazos
în care are loc descărcarea;
B1 [VA], B2 [V],B3 [VA], B4 [V/mm] – constante dependente
de configurația geometrică a electrodului de tungsten, de compoziția
mediului gazos în care are loc descărcarea.
I.1.1.2.3.2. Arcul electric de curent alternativ
Arcul electric de curent alternativ prezintă anumite particularități,
datorate sursei, care furnizează o tensiune alternativă cu frecvența rețelei
(50 Hz), ceea ce determină, anularea naturală a curentului la fiecare trecere
a acestuia prin zero (de 100 de ori într-o secundă). Acest lucru implică
stingerea și reaprinderea arcului cu aceiași periodicitate, bineînțeles dacă
sunt respectate anumite condiții fundamentale, referitoare în primul rând
la menținerea stării ionizate a spațiului în care urmează să se reia
descărcarea.
O altă particularitate deosebită se referă la faptul că pata catodică,
esențială pentru aprinderea și arderea arcului, își schimbă locul de pe
electrod pe baia metalică cu aceiași periodicitate. Acest lucru determină
asimetri importante între cele două semiperioade, deoarece când pata
catodică este pe baia metalică ea este mai rece și emisia electronică,
respectiv curentul prin coloană sunt mai mici.
Din punct de vedere tehnologic, arcul electric de curent alternativ
trebuie să ardă în așa fel încât intervalele de timp în care valoarea
instantanee a curentului este nulă să fie foarte scurte în raport cu durata
semiperioadei. Întreruperile de curent pot determina o perturbare a
atmosferei de protecție din zona de ardere a arcului, precum și transferul
metalului către baie, ceea ce ar induce efecte negative asupra calității
sudurii. În plus, productivitatea scade și poate avea loc o creștere a
pierderilor de metal prin împroșcare.
Din aceste motive sursele de curent alternativ pentru sudare trebuie
să asigure arderea fără pauze a arcului electric.
Luându-se în considerație formele de variație nesimetrice, ale
curentului ia și tensiunii uaI.11) prin arc, în raport cu timpul t (fig.I.1.16), în
cazul unor pauze foarte mici, se observă că în momentele premergătoare
punctului 1, curentul furnizat de sursa de sudare scade către zero, ceea
ce duce la micșorarea treptată a gradului de ionizare a coloanei arcului și
I – 43UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
la o răcire corespunzătoare a petei catodice, cu urmări negative asupra
condițiilor de ardere. Când mărimea curentului atinge o anumită valoare
limită (4 – 7 [A]), arderea arcului nu mai este posibilă și acesta se stinge.
Datorită faptului că conductibilitatea electrică a spațiului dintre vârful
electrodului și baia metalică nu este nulă, după stingerea arcului curentul
nu se anulează instantaneu. În continuare în funcție de anumite
caracteristici ale sursei de curent, cuprinse în denumirea de caracteristici
dinamice , se produce o variație bruscă a tensiunii și schimbarea sensului
ei. În momentul 2 se anulează și își schimbă sensul și curentul mic care
circulă în spațiul dintre electrod și piesă în absența arcului electric (având
ordinul de mărime circa 2% din valoarea curentului de sudare).
Concomitent, creșterea tensiunii de polaritate schimbată, între vârful
electrodului și baia metalică atinge valoarea necesară uap, numită tensiune
de aprindere , pentru reamorsarea arcului.
Reaprinderea arcului este posibilă datorită existenței între vârful
I.11)ua șiia sunt mărimi instantanee ale tensiunii și curentului prin arc12 3
aru
–
aru
ai
–
aiususm
ic
apu
–
apuU, I
t
Piesa la catod Electrodul la catod• •
Fig. I.1.16. Formele de variație ale curentului și
tensiunii la bornele arcului de curent alternativ
I – 44UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
electrodului și piesă a unei plasme reziduale precum și emisiei
termoelectronice din zona catodului.
După restabilirea arcului are loc o scădere rapidă a tensiunii la
valoarea
arunumită tensiune de ardere și o creștere mare a curentului
până la valoarea maximă
mi. După trecerea prin maxim, curentul scade
și arcul se stinge din nou în vecinătatea punctului 3, după care procesul
se reia cu polaritate schimbată, în sensul că are loc o transferare a
catodului pe baia de metal.
Răcirea intervenită în acest interval face ca tensiunea de aprindere
apu, corespunzătoare momentelor în care electrodul este catod este
substanțial mai mare decât–
apu, când piesa este catod. De asemenea
există diferențe între tensiunile de ardere
aru și–
aru în sensul că–
ar aru u.
Efectele cumulate fac ca–
m mii, ceea ce determină apariția în circuit a
unei componente continue a curentului ic determinând așa numitul efect de
redresare pe care îl are arcul electric de curent alternativ.
Din cele arătate rezultă că arcul electric de curent alternativ arde
cu întreruperi, care trebuie să fie cât mai scurte pentru a nu afecta
nefavorabil procesul de sudare. Reaprinderea arcului este cu atât mai
ușoară cu cât tensiunea de aprindere este mai mică. Aceasta este
dependentă de următorii factori:
potențialul efectiv de ionizare între vârful electrodului și
piesă. Micșorarea acestui potențial se face prin introducerea unor substanțe
în învelișul electrozilor sau în flux;
durata procesului tranzitoriu . Cu cât timpul și durata acestui
proces este mai mic, determinat de caracteristicile dinamice bune ale
sursei de curent, cu atât se atinge mai repede tensiunea de aprindere;
tensiunea de mers în gol a surseiI.12). Cu cât tensiunea de
mers în gol este mai mare cu atât crește tensiunea în regim tranzitoriu și
implicit scade tensiunea de aprindere;
frecvența sursei . Mărirea frecvenței cauzează o micșorare
a tensiunii de aprindere.
Urmărirea condițiilor analitice de ardere a arcului electric de curent
alternativ se face luând în considerație schema echivalentă (fig.I.1.17), în
care se consideră toate elemente liniare, cu excepția arcului electric de
sudare. Pentru simplificare se consideră că intervalul de timp în care arcul
este stins este infinit mic, că semiperioadele sunt simetrice, durata tensiunii
de aprindere este mică și că tensiunea de ardere a arcului ua este
I.12) tensiunea de mers în gol se notează în mod curent U0 este tensiunea la
bornele sursei cînd nu este cuplat circuitul de sudare
I – 45UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
independentă de curent.
Se apreciază că arcul electric este alimentat de la o sursă de curent
alternativă sinusoidală ce debitează tensiunea:
)t sin(U)t(usm s (I.1.24)
în care Usm este valoarea maximă a tensiunii sursei; f2 – pulsația
curentului de frecvență f; – defazajul tensiunii sursei față de curent.
Descompunând variația tensiunii sursei în serii armonice se poate
scrie:
)tnsin(nU4ua
1na
(I.1.25)
în care Ua este valoarea efectivă a
tensiunii arcului și n – ordinul armo-
nicii.
Prin metode curente folosite în
electrotehnică, se obține expresia
curentului de sudare sub forma unei
funcții:
)R;R;L;L;n;t;u;U(Fi2 1 2 1 a sm1 a
(I.1.26)
Condiția de ardere neîntreruptă
a arcului se pune sub forma:
0 )i( )i(ta 0ta
(I.1.27)
Pe de altă parte, pentru ca
arcul să se aprindă la momentul t =
0, tensiunea disponibilă în acel mo-
ment trebuie să fie egală cu tensiunea
de aprindere:
0t11
0t1
1 sm ap )i(RdtidL sinU u
(I.1.28)
Urmărind circuitul de șuntare, tensiunea de aprindere trebuie să fie
egală și cu:
0t22
0t2
2 ap )i(RdtidL u
(I.1.29)Fig.I.1.17. Schema echivalentă a
unui circuit de sudare.
T – transformator; E – Electrod; A –
arc electric; P – piesa de sudat;
L1, R1 – inductanța și rezistența
circuitului de sudare; L2, R2 –
inductanța și rezistența
circuitului de șuntare a arcului.Ur
)t sin(Usm
L1
L2R1
R2
uaE
Ai1
i2
i3 P
I – 46UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
Egalând cele două relații se obține repartiția tensiunii sursei pe
circuitul de sudare și pe circuitul de șuntare:
0t22 0t11
0t2
2
0t1
1 sm )i(R )i(RdtidLdtidL sinU
(I.1.30)
Ținând seama și că:
0t2
0t1
0ta
dtid
dtid;0dtid
(I.1.31)
și rezolvând sistemul de ecuații format din ecuațiile (I.1.27 … I.31), dacă
circuitul conține și o rezistență R și o inductanță L, în serie cu arcul, se
obține o expresie generală a curentului de forma / /:
) tnsin(ZU
RU) t sin(ZU)t(in n
1n nn,am 0a
1
1sm
(I.1.32)
și a tensiunii prin arc:
1nn n,am 0a a ) tnsin( U U)t(u (I.1.33)
în care Ua0 este componenta continuă a tensiunii arcului; Uam,n – amplitudinea
armonicii de ordin n;n – defazajul de ordin n între armonicile tensiunii pe
arc, respectiv a curentului; n – faza inițială a armonicii de ordin n a tensiunii
pe arc,
RLnarctgn și2 2)Ln( R Z .
În studiul arcului electric de curent alternativ trebuiesc luate în
considerație influențele datorate în special transformatorului cu care este
dotată sursa de curent pentru sudare:
influența saturației magnetice . In studiul arcului de curent
alternativ s-a considerat inductanța L1 ca fiind liniară. Pentru a studia
abaterile de la neliniaritate se fac ipotezele simplificatoare că lipsește
circuitul de șuntare și rezistența R1 din circuitul de sudare are valoare
nulă. În momentele imediat următoare stingerii arcului, când t ,
curentul prin circuit are valoarea:
I – 47UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
tdid
idd
iRsinUx
a
ax
ax
a
sm (I.1.34)
în care s-a consideratx
ai curentul în aceste momente. Va rezulta variația
de curent de forma:
ax
ax
a smx
a
iddiR sinU
tdid
(I.1.35)
Reprezentând grafic dependența = f(ia), se observă că pentru o
aceiași valoare a înlănțuirii maxime m (fig.I.1.18) în cazul unei inductanțe
liniare (curba 1) și în cazul unei inductanțe saturate magnetic (curba 2), în
cel de-al doilea caz, pentru 0ia,d/dia are o valoare mai mare decât în
cazul 1. Rezultă o influență nefavorabil ă a utilizării unei inductanțe satu-
rate magnetic, deoarece este de dorit, pentru o cât mai bună stabilitate
dinamică, o viteză cât mai mare de creștere a curentului în perioada în
care arcul este stins;
influența curenților turbionari . În orice circuit electric
închis, înlănțuit cu fluxurile
magnetice variabile ale trans-
formatorului pentru sudare, apar
curenți turbionari, care străbat
rezistența magnetică a acestor
circuite, dând naștere unor pierderi
suplimentare. Acești curenți apar în
părțile metalice masive din
construcția transformatorului dar și
în miezul feromagnetic al acestuia.
Pentru studiul acestor curenți se ia
în considerație schema echivalentă
simplificată, valabilă în momentul
când arcul electric este stins
(fig.I.1.19). Tensiunea disponibilă între vârful electrodului și baia de metal
lichidx
ax
ax
a iR u este dată de relația:
Tt
smx
a eU sinU u
(I.1.36)
ia1212m1 2tg tg
Fig. I.1.18. Înlănțuirea magnetică
funcție de curentul prin arc.
1 – cazul inductanței nesaturate;
2 – cazul inductanței saturate
I – 48UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
unde:222
aZLRMI2 U cu2 2)L( R Z ;Ia – valoarea efectivă a
curentului de sudare; R,L – rezistența respectiv inductanța circuitului
curenților turbionari;2 1LL M – inductanța mutuală (înlănțuirea
magnetică) între circuitele 2 și3 având inductanțele proprii L1 șiL2;t – timpul
șiT perioada curentului alternativ. Arcul se reaprinde în momentul când
p
ax
au u. În lipsa curenților turbionari tensiunea disponibilă este:
x
a sm1x
a u sinU u , ceea ce scoate în evidență efectul negativ al curenților
turbionari asupra stabilității dinamice
a arcului de curent alternativ.
S-a arătat că arcul electric de
curent alternativ produce un efect de
redresare. Este important de
cunoscut influența componentei
continue a curentului ic care apare
în curentul de sudareI.13). Acest
curent determină apariția în circuitele
magnetice ale unui flux continuu care
se manifestă printr-o mărire a
curentului de magnetizare, care
devine pronunțat asimetric și
determină o micșorare a factorului
de putere și a randamentului.
Luându-se în considerație
schema echivalentă din figura I.1.17, cu ipotezele simplificatoare că R1 =
0 și lipsește circuitul de șuntare și presupunând că tensiunea de alimentare
a circuitului )t sin(Usm și tensiunea la bornele arcului variază ca în
figura I.1.20, se obține:
cos4Uuu) 2(42
Ii
sma–
a
1 1
kc(I.1.37)
în care Ik este valoarea efectivă a curentului de scurtcircuit a sursei .L R
M
2
1x
aix
aRx
aui 3
)t sin( Usm
Fig. I.1.19. Schema echivalentă
pentru studiul curenților turbionari.
1 – transformator; 2 – circuit principal;
3 – circuitul curentului turbionar i;
M – inductanța mutuală între
circuitele 2 și 3L2
L1
I.13) Din punct de vedere tehnologic, componenta continuă are efecte negative
referitor la dislocarea stratului de oxid, în semiperioada când piesa este catod, la sudarea
WIG a aluminiului.
I – 49UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
Reprezentând grafic va riația
–
aa
kc
uufIi (fig.I.21), se ob servă că
pentru raportul 2
uu
–
aa
(la sudarea WIG a aluminiului) componenta continuă
poate avea o valoare însemnată. Rezultă de asemenea influența nefavo-
rabilă a măririi gradului de nesimetrie a tensiunilor de ardere, luate în con-
siderație prin raportul–
a au/u.
S-a arătat că mărirea
tensiunii de mers în gol scade
tensiunea de aprindere, ceea ce
este un efect favorabil. Din punct
de vedere a componentei continue,
această mărire are un efect ne-
favorabil , deoarece crește și com-
ponenta continuă ic a curentului
(fig.I.22). De aceea se iau măsuri
de combatere a componentei con-
tinue prin legarea în serie cu arcul electric a unei capacități . Pentru ca
reaprinderea arcului să fie posibilă este nevoie ca în circuit să existe și o
inductanță .)t sin(Usm
11 22
2 ia
au
–
aut–
a au u
2 1
0U
I
Fig. I.1.20. Explicativă privind semnificația
mărimilor de calcul a componentei continue.
0,8
0,6
0,4
0,2
0
1,01,21,41,61,82,02,22,4
–
a au/u
5,0Uu
0a
Fig.I.21. Influența raportului–
a au/u
asupra componentei continue ic.
U0 – tensiunea efectivă de mers în gol
a sursei.
I – 50UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
În studiul analitic al arcului s-au luat
în considerație valorile momentane ale
curentului și tensiunii arcului . Acest lucru
implică utilizarea unui sistem de calcul com-
plex și posibilități de măsurare sofisticate.
Pentru simplificare s-ar putea lua în
considerație numai armonicile fundamentale
ale curentului și tensiunii , dar se produce o
îndepărtare de fenomen, ceea ce implică
existența arcului ca un element liniar, iar
relațiile stabilite nu sunt satisfăcătoare.
Pentru aceasta se preferă luarea în considerație a unui curent și tensiuni
pe arc sinusoidale (vezi fig.I.16), defazate între ele cu un unghi , a cărui
cosinus definește factorul de putere al arcului (într-un circuit cu parametri
liniari acesta are valoarea 0,97 – 0,99). Metoda are dezavantajul că lucrează
cu mărimi fictive, dar măsurabile direct cu ajutorul unor instrumente
indicatoare.
I.1.1.2.4. Transferul de metal la sudarea prin topire
cu arc electric cu electrod fuzibil
La sudarea cu electrod fuzibil, fenomenele sunt deosebit de
complexe, deoarece materialul de adaos este furnizat de unul din electrozii
care generează arcul (catodul, la sudare cu polaritate directă, anodul, la
sudarea cu polaritate inversă sau alternant, la sudarea în curent alternativ).
Picăturile metalice care trec prin arc, sunt supuse unor imnportante
solicitări electrice și mecanice, cu implicații majore în transferul de mate-
rial și implicit în calitatea cusăturii.
În coloana arcului, datorită temperaturilor foarte mari, plasma este
formată, așa cum s-a arătat, pe lângă electroni și din ioni negativi și pozitivi.
Ionii negativi sunt atrași de particulele metalice care au sarcină electrică
pozitivă (la sudarea cu polaritate directă), datorită provenienței din catod,
unde prin emisie termoelectronică și autoelectronică au pierdut cea mai
mare parte a electronilor liberi sau mai slab legați de nuclelele atomice.
Potențialul electric columbian în exteriorul particulei metalice de rază a
(considerate sferice) la distanța r va avea expresia / /:
rq
41V
0e (I.1.38)0,8
0,6
0,4
0,2
1,00,80,60,40,2075,1 u/u–
a a
0 aU/u
Fig.I.22. Influența
tensiunii de mers în gol
asupra componentei
continue ic
I – 51UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
în care 0 este permitivitatea dielectrică absolută și q – sarcina totală
(pozitivă) a particulei metalice. Câmpul electric, generat în exterior de
particula metalică va avea expresia:
2
0Vrq
41E
e(I.1.39).
Similar poetnțialul electric columbian în interiorul sferei va fi:
aq
41V
0i (I.1.40)
iar câmpul electric din interiorul sferei va fi nul ( 0 E
iV).
În cazul arcului electric pentru sudare potențialele sunt mici și
temperaturile foarte mari, ceea ce permite aprovimarea potențialului elec-
tric al particulei V(0), prin expresia:
0)0(DV(I.1.41)
în care este sarcina superficială pe particula metalică și D este o măsură
a grosimii stratului de ioni care o înconjoară, similară cu raza Debye din
fizica coloidală:
2
00
qn2TkD(I.1.42)
în care k este constanta lui Boltzmann, T – temperatura absolută și n0 –
numărul ionilor din jurul particulei metalice. Relația este asemănătoare cu
diferența de potențial a unui condensator plan cu distanța între plăci D și
cu densitatea supeficială de sarcină .
Particulele metalice sunt ținute la distanță unele față de altele,
datorită respingerii lor electrice, dar la distanță mică de suprafața unei
particule câmpul este redus de norii de ioni din jurul ei. Dacă acești nori
devin destul de subțiri, particulele se pot ciocni unele cu altele, contopindu-
se în picături din ce în ce mai mari. Cu cât ionizarea este mai puternică,
transferul de metal de la electrod la piesă se va face sub formă de particule
din ce în ce mai fine, a căror dimensiuni depind de densitatea de ioni din
coloana arcului .
Presupunând că asupra particulelor metalice, aflate în spațiul arcului
în câmp electromagnetic, acționează forțe generalizate, provenite din însăși
energia câmpului, de forma:
I – 52UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
Vp c dV)W W( W (I.1.43)
in care Wc este energia cinetică, Wp – energia potențială și dV elementul
de volum V.
Aceste energii au valoarea:
dVp
c1
21WdVv21W
2
V 2
0cV2
i 0 c
(I.1.44)
unde 0 este masa specifică statistică, c – viteza de propagare a câmpului
în mediul considerat, vi – viteza de oscilația a particulelor, p – presiunea
electromagnetică I.14).
Densitatea medie de energie, repartizată uniform pe tot volumul
este:
VW WWp c
0 (I.1.45)
Variația densității medii de energie acționează asupra volumului
V producându-i următoarele modificări care stau la baza deplasării
particulei metalice în câmp electromagnetic / /:
omișcare de translație , paralelă cu direcția câmpului;
odeformație elastică în direcția axelor de coordonate
orotație în jurul unei axe instantanee de rotație;
odeformație elastică de răsucire ;
omodificare de volum , datorită schimbului de căldură adi-
abatic de căldură cu mediul înconjurător.
Mișcarea de rotație și deformațiile de răsucire se pot neglija, astfel
încât se poate concluziona că particula metalică închisă într-un volum V
exectă două tipuri de mișcări principale:
omișcare pulsatorie care modifică, la volum constant,
forma suprafeței limitrofe , mișcare datorată forțelor de volum și rotației
în jurul axei instantanee;
omișcare de oscilație a volumului V în jurul direcției
câmpului, datorită translației volumului într-un mediu dens, atribuită forțelor
de volum, derivate din neuniformitatea câmpului electromagnetic.
I.14) Presiunea electromagnetică este o mărime determinată de forțele elec-
tromagnetice pe unitatea de suprafață în care se manifestă câmpul.
I – 53UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
Asimilând volumul Vunei particule metalice omogene, în stare
lichidă, desprinsă din electrod și având o formă arbitrară, cele două mișcări
contribuie la fragmentarea volumului. Acest lucru scoate în evidență faptul
căîn starea inițială metalul topit se desprinde din electrod sub forma unor
protuberanțe neregulate, care deplasându-se în câmp, se fragmentează,
ajungând la piesă sub forma unor particule derivate din picătura principală .
Sub acțiunea forțelor de volum și de suprafață exercitate de câmpul
electromagnetic asupra particulei metalice, presupusă (pentru simpli ficare)
a fi cu geometrie sferică, se dezvoltă o forță electromagnetică care are două
componente (fig. I.1.2 3):
o componentă Ft, paralelă cu liniile câmpului electromagnetic,
care exercită asupra particulei o tracțiune după ava x, ce determină
creșterea razei particulei metalice;
o componentă Fc, perpendiculară pe liniile de câmp, ce execută
asupra particulei o compresiune după
axele y șiz, ce micșorează secțiunea
transversală a particulei.
Dacă câmpul electromagnetic
derivă dintr-un potențial constant,
particulele se pot fragmenta numai dacă
forțele de volum orientate din interiorul
spre exteriorul volumului înving
coeziunea moleculară . Acest lucru nu
se poate produce decât dacă se intro-
duce o oscilație armonică suplimentară având frecvența egală cu frecvența
de oscilație a particulelor ceea dce va determina fenomenul de rezonanță
și implicit creșterea amplitudinilor. În acest fel forțele de volum vor depăși
forțele de coeziune moleculară și particula se va fragmenta I.15).
S-a pus în evidență că particula metalică din arcul electric exercită
o mișcare de rotație în jurul unei axe proprii. Suprafețele locale, supuse
tracțiunilor și compresiunilor se schimbă reciproc între ele, de două ori în
cursul unei rotații complete, ceea ce generează o pulsație cu frecvență
dublă față de frecvența de rotație .
Transferul de material topit către baia metalică are loc datorită greutății
proprii a picăturii topite și forțelor create de tensiunea superficială. Acest
transfer este specific topirii capătului vergelei care furnizează materialul deFc Ft
FcFtz
y x
Fig. I.1.23. Imaginea mișcării
pulsatorii a particulei de
metal topit
I.15) Fenomenul este cunoscut sub denumirea de tratamentul arcului cu oscilații
de înaltă frecvență și tensiune. Dacă frecvențele sunt joase (0,5-100 [Hz]) transferul
picăturilo este cunoscut sub denumirea de transfer prin arc pulsat .
I – 54UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
adaos, urmată de atingerea intermitentă a băii de sudură. Transferul se
realizează într-un anumit mod determinat de interacțiuhnea dinamică
specifică a unur factori interdependenți / /:
aportul de energie utilizată pentru topirea materialului de
adaos;
natura șicompoziția amestecului de gaze protectoare ;
compoziția materialului de adaos (sârma electrod);
tipul sursei de putere pentru sudare;
regimul de sudare (tensiune, curent, polaritate de
conectare, viteza de avans a sârmei), inclusiv forma de undă a curentului
de sudare.
Asupra picăturii topite formate acționează forțe determinate de
presiunea dinamică a arcului, forțe electrostatice șielectromagnetice ,
forțe datorate dilatării prin explozie a unor gaze din spațiul de topire.
Așa cum s-a arătat, transferul picăturilor topite spre baia metalică
este un proces complex supus unor legi mecanice, hidrodinamice și
electrice. Transferul se realizează în condiții apropiate de cele două cazuri
limită: sudarea cu arc scurt și sudarea cu arc lung / /.
Sudarea cu arc scurt este caracterizată prin scurtcircuitări re –
petate având ca efect anularea tensiunii și creșterea curentului la valoa –
rea de scurtcircuit. La sudarea cu arc scurt se disting două cazuri spe –
cifice și anume:
transfer prin arc înecatI.16), care are loc în cazul în care
viteza de avans a sârmei ce furnizează materialul de adaos I.17) depășește
viteza de topire a acestuia (corespunzătoare curentului nominal de sudare).
Arcul electric își micșorează lungimea până când sârma electrod pătrunde
sub nivelul băii metalice, situație în care intensitatea curentului crește
brusc la valoarea de scurtcircuit determinând o puternică încălzire și topire
cu viteză mare a capătului sârmei I.18). În urma topirii se întrerupe
scurtcircuitul între electrod și baie și arcul se reaprinde, fapt ce determină
revenirea curentului la valoarea nominală. În felul acesta viteza de topire
scade și ciclul se reia;
transfer globular (fig.I.1.24). Capătul sârmei electrod se
topește și se formează picătura de metal topit. Datorită faptului că arcul este
scurt, la un moment dat picătura atinge baia metalică, înainte de desprinderea
I.16) are loc în cazul procedeului MIG.
I.17) numită în continuare sârmă electrod .
I.18) capătul sârmei electrod în contact cu baia este mult mai cald și din acest motiv
are o rezistență electrică mult mai mare, ceaa ce face ca să se încălzească și să se
topească mult mai repede datorită curentului de scurtcircuit care îl străbate.
I – 55UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
ei de pe sârma electrod, realizând scurtcircuitul. Datorită valorilor mari ale
acestuia, forțele de atracție dintre curenții
paraleli cresc și datorită faptului că
densitatea de curent are valori maxime în
zona punții metalice, în această zonă vor
fi maxime și forțele de atracție Fa, care
vor gâtui metalul topit și vor detașa
picătura. Aspra picăturii acționează forțele
de presiune dinamică ale arcului și forțele
de tensiune superficială Ft (care vor uni
picătura cu baia metalică) și forțele
datorate câmpului electromagnetic, Fe
(către electrod) și Fb (către baie ).
Deoarece secțiunea băii este mai mare
ca secțiunea sârmei electrod Fb > Fe,
picătura este transportată către baie și se
restabilește starea inițială. Rezultanta
forțelor este mult mai mare decât greutatea
proprie a picăturii ceea ce face ca indiferent de poziția relativă a băii față de
sârma electrod, picăturile vor fi atrase către baia metalică.
Sudarea cu arc lung se caracterizează prin aceea că trecerea
picăturilor topite nu produce scurtcircuit între sârma electrod și baie, fapt
ce mărește stabilitatea arcului electric (fig.I.1.25). Lungimea arcului și
dimensiunile picăturilor sunt determinante pentru evitarea scurtcircuitărilor.
Transferul picăturilor se datorează
forțelor magnetice, forțelor de gâtuire și
forțelor de presiune dinamică a gazelor
și a arcului. În porțiunea topită din
capătul sârmei electrod pot apărea bule
de gaz care provoacă desprinderea
picăturii și proiectarea ei cu o anumită
viteză spre baia metalică. În cazul în care
picătura conține o cantitate mare de
gaze, la traversarea arcului se produce
o supraîncălzire a acesteia, gazele se
dilată și provoacă fragmentarea picăturii
sub formă de picături mult mai fine I.19).
Fragmentarea picăturilor în
picături mai mici se produce și datorităFig.I.1.24. Transferul globular la
sudarea cu arc scurt
a) topirea capătului sârmei
electrod; b) formarea picăturii;
c) atingrea băii și gâtuirea
picăturii; d) restabilirea
condiției inițialea) b) c) d)FaFe
FbFa
Fig.I.25. Transferul la sudarea
cu arc lung fără
scurtcircuitare
a) topirea capătului sârmei
electrod; b) formarea picăturii;
c) desprinderea picăturii;
d) restabilirea condiției inițialea) b) c) d)
I – 56UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
creșterii presiunii dinamice a arcului cu creșterea densității de curent.
I.1.1.2.5. Parametrii electrotehnologici ai îmbinării sudate
Scopul sudurii este îmbinarea sudată , mai precis cusătura care, în
totalitatea ei formează cordonul de sudare . Cusătura (fig.I. 1.26) este
caracterizată de o serie întreagă de dimensiuni geometrice între care cele
mai importante sunt: pătrunderea p,lățimea b,supraînălțarea h șiaria
secțiunii transversale A. Pentru zona influențată termic, numită prescurtat
ZIT I.20)dimensiunile principale sunt: adâncimea Pșilățimea B.
După modul în care sunt influențați parametrii geometrici ai cusăturii,
parametrii electrotehnologici / / se pot grupa în trei categorii:
parametrii primari :curentul de sudare Is,tensiunea arcului
Ua șiviteza de sudare vs. Acești parametri sunt foarte importanți fiind
determinanți pentru stabilitatea arderii arcului, depunerea de metal, cantitatea
de stropi de metal lichid, dimensiunile cusăturii și a ZIT-ului (fig.I.1.27);
parametrii secundari :lungimea arcului La,lungimea liberă
I.19) Transferul fin este favorizat și de conținutul de carbon din sârma electrod.
Oxizii, învelișurile și fluxurile acide, măresc tensiunea superficială și grăbesc formarea
picăturilor care devin mai fine.
I.20) După unii autori ZIT-ul ste de fapt ZITM – zonă influențată termomecanic.parametrii primari parametrii terțiari
parametrii secundariarc electricsârma electrod
B
bhP
p
piese de sudatcusătura
sudată
ZITUa, Is, vs
La, Li, va, PEE, PMS, DC/AC, PC, nT
A
Fig. I.1.26. Elementele geometrice ale cusăturii sudate și parametrii
electrotehnologici
I – 57UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
a sârmei electrod LiI..21),viteza de avans a materialului de adaos va și
poziția electrodului PE față de componente. Acești parametrii sunt greu
de măsurat și de menținut la valori prestabilite și nu influențează în mod
direct dimensiunile cusăturii;
parametrii terțiari :tipul șidimensiunile electrodului E,
felul protecției mediului de descărcare și al băii de sudură PMS ,natura
curentului de sudare (continuu DC sau alternativ AC) șipolaritatea conectării
la curent PC (directă sau inversă), numărul trecerilor nT șiașezarea lor în
rost, dispunerea cusăturilor în lungul rostului. Acești parametrii variază în
trepte, nu pot fi modificați în timpul sudării și influența lor este specifică
fiecărui procedeu în parte.
Din punct de vedere al cordonului de sudare o importanță majoră o au
parametrii primari și terțiari, dar nu pot fi neglijați nici parametrii secun dari c e
acționează prin intermediul sârmei electrod și al arcului electric.p
b
h
Is [A] Ua [V] vs[cm/min]300 400 500 600 300 400 500 600 300 400 500 600300 400 500 600 300 400 500 600 300 400 500 600300 400 500 600 300 400 500 600 300 400 500 600
Fig. I.27. Influența parametrilor primari asupra parametrilor geometrici
ai cusăturii / /.
I.21) Prin lungimea liberă se înțelege distanța de la piesa de contact (prin care trece
sârma electrod) la baia de metal topit.
I – 58UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
I.1.1.3. Stabilitatea subsistemului sursă de curent – arc electric
Prinstabilitate se înțelege însușirea unui sistem de a regveni la
starea de echilibru, după ce a fost scos din această stare de către un
factor perturbator de mică amploare și cu acțiune de scurtă durată / /
I.1.1.2.6. Sursa de curent pentru sudare
Sub aspectul legat de funcționarea în regim static a subsistemului
arc-sursă, aceasta din urmă se ia în considerație prin caracteristica ex-
ternă statică (fig.I.28), definită ca legătura funcțională între tensiunea la
bornele sursei usși curentul debitat de sursă is, în condițiile menținerii
constante a tensiunii rețelei de alimentare și ai celorlalți parametrii ai
sursei. Se numește caracteristică externă statică deoarece la o variație
de curent suficient de lentă, tensiunea sursei nu diferă de cea indicată de
caracteristică / /.
Urmărind inter-
secția caracteristicii 1 cu
axele de coordonate se
pun în evidență două valori
particulare: tensiunea de
mers în gol u0
corespunzător situației
când curentul debitat de
sursă este nul și
curentul de scurtcircuit
ik care se stabilește în
momentul când tensiunea
la bornele sursei este
nulă. Luând în considera-
ție caracteristicile liniare
1,2 și3, o mărime
deosebit de importantă
estepanta caracteristicii
externe , definită prin
rezistența diferențială a
sursei Rsd
:u0
ik
iss1s 2= 0
s3us
1
234
5
Fig.I1..28. Caracteristica externă
a sursei de curent pentru sudare.
1 – pronunțat căzătoare; 2 – rigidă;
3 – urcătoare; 4 – neliniară; 5 – complexă
I – 59UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
s
aa
sd tgiuR (I.1.46)
Din acest puct de vedere avem trei tipuri de caracteristici liniare:
pronunțat căzătoare (1), cu s > 0 șiRsd < 0;
rigidă (2), cu s = 0 șiRsd = 0;
urcătoare (3), cu s < 0 șiRsd > 0.
În afară de aceste tipuri de caracteristici externe, sursele mai pot
avea caracteristica neliniară (4) sau caracteristica complexă (5) (ex.
sudarea cu jet de plasmă).
I.1.1.3.1. Subsistemul sudării cu electrod refractar
Se consideră subsistemul sursă de curent-arc electric în cazul
sudării cu electrod refractar deoarece materialul electrodului necontribu-
ind la for marea cusăturii, sub sistemul este de sine stătător, fără legături
inverse, ceea ce-i conferă proprie tatea de a fi izolat de restul sistemului.
S t u d i u l
stabilității se face
trasând în
același sistem d e
c o o r d o n a t e
(fig.I.1.29) atât c a –
racteristica sta- tică
a arcului electric (1)
cât și caracteris- tica
externă a surseiI . 2 2 )
(2). Notând ia
curentul prin arcul
electric șiis –
curentul debitat d e
sursă , deoarece
arcul este
singurul con-
sumator alimen- t a t
de sursa de cu-
rent, se poate
considera is = ia. Î n
I.22) Pentru simplificare caracteristica externă a sursei se consideră liniară..us
ua
is
iau0ua’
us’
us’’
ua’’a
–i+ii1u1 us=uais=ia
us=uais=ia b
Fig.I.1.2 9. Determinarea condițiilor de funcționare
stabilă a subssistemului sursă – arc electric.
1, 3) caracteristici statice ale arcului electric;
2) caracteristica externă a sursei
I – 60UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
circuit neexistând nici o altă cădere de tensiune, tensiunea la bornele sursei
us este egală cu tensiunea la bornele arcului ua, adică us = uaI.23).
Aceste condiții sunt îndeplinite numai în punctele de intersecție ale
celor două caracteristici. Pentru ca subsistemul să poată funcționa este
necesar să existe cel puțin un punct de intersecție între cele două
caracteristici. Un arc cu caracteristica statică ( 3) nu poatearde alimentat
de la sursa cu caracteristica externă ( 2). În principiu sursle sunt astfel
construite încât să existe două puncte de intersecție a șib.
I.1.1.3.1.1. Stabilitatea subsistemului la variația curentului
Se onsideră subsistemul funcționând în punctul a. Datorită unei
perturbații oarecare se produce o scădere a curentului i1 la valoarea i1 –
i, fapt ce face ca tensiunea ua’, necesară pentru arderea arcului s ă
devină mult mai mare decât tensiunea us’ debitată de sursă în regim
staționar. Acest lucru implică o lipsă de putere -P (fig.I.1.30) dată de
diferența Ps – Pa, în care Ps = us· is, este
puterea debitată de sursă și Pa = ua· ia
este puterea disipată de arcul electric de
sudare. În aceste condiții chiar după
dispariția cauzei perturbatoare, procesul
de scădere a curentului continuă de la
sine, arcuil se răcește și în final se stinge.
Dacă, în urma perturbației, se pro-
duce o creștere de curent la valoarea i1
+i1, tensiunea la bornele sursei us’’
devine mai mare decât tensiunea de
ardere a arcului ua’’. Chiar după dispariția
perturbației procesul de creștere continuă până la egalizarea tensiunilor
în punctul b. Din punct de vedere al puterilor apare un excedent de putere
+P, ceea ce duce la încălzirea suplimentară a arcului și implicit la creștere
curentului până la valoarea i2.
Dacă subsistemul funcționează în punctul b, la apariția unei perturbații
care produce o scădere a curentului la valoarea i2 -i, tensiunea de ardere
a arcului va fi mai mică decât tensiunea furnizată de sursă ceea ce determină
apariția unui surplus de putere +P ce va duce la încălzirea suplimentară a
arcului și la creștere curentului până la valoarea i2, corespunzătoare punctuluiFig.I.1.30. Variația puterilor în
subsistemul arc – sursă
1 – puterea debitată de sursă
Ps; 2 – puterea disipată în arc Pa.Ps
Pa
12
–P+P–P+P
iaab
I.23) În continuare se va folosi numai notațiite ia pentru curentul prin sistem.i1-i+i i2-i+i
I – 61UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
b, în care se realizează egalizarea tensiunilor. Invers, dacă perturbația
determină o creștere a curentului la valoarea i2 +i, tensiunea necesară
pentru arderea arcului devine mai mare decât tensiunea furnizată de sursă
ceea ce implică o lipsă de putere de valoarea -P. Acest lucru determină
răcirea arcului și scăderea curentului până la revenirea subsistemului în
punctul b de funcționare, în care se face egalizarea tensiunii arcului cu
tensiunea debitată de sursă.
Analizând subsistemul în cele două puncte posibile de funcționare
se observă că punctul a este un punct de funcționare labilă , existența
unei perturbații ducând fie la stingerea arcului. fie la deplasarea punctului
de funcționatre în b, în timp ce punctul b este un punct de funcționare
stabilă , deoarece la dispariția perturbației sistemul revine în condiția de
bază corespunzătoare punctului b.
Pornind de la schema echivalentă a circuitului de alimentare a arcului
electric (fig.I.1.31) se pot stabili condițiile analitice de stabilitate a
subsistemului prezentat. In schema echivalentă s-a considerat că arcul
este alimentat de la o sursă de curent continuu care debitează tensiunea
constantă ug, independentă de curent, în circuit existând rezistența R.I.24)
și inductanța L care cumulează toate elementele rezistive și inductive.
Notând cu us tensiunea la bornele sursei în regim staționar și cu usd rezis-
tența la bonele sursei în regim dinamic, us = f(ia) este caracteristica externă
a sursei în regim staționar 0did
ta
Scriind legea a doua a lui Kirchhoff pe circuit avem:
aa
a g utdidLRiu .
Ținând seama că ug – R· ia = us și separând variația curentului din
relația (1.47) se obține:
s as a auuL1
Luu
tdid (I.1.47)
Se consideră că la momentul t = 0 apare un salt în traptă a curentului
de mărime i0. La momentul t 0, curentul în regim tranzitoriu devine ia +
i. Înlocuind în relația (I.1.47) și considerând că abaterea i este suficient
I.24) Rezistența R conține în afară de rezistența ohmică propriuzisă și unele elemente
de calcul, care pot fi negative. Rezultă că valoarea lui R poate fi pozitivă, R > 0 , situație
în care caracteristica externă este căzătoare , negativă, R < 0 , situație în care
caracteristica externă este crescătoare și situație în care rezitența este nulă, R = 0 ,
corespunzătoare unei caracteristici externe rigide .
I – 62UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
de mică pentru a putea
considera caracteristica
arcului și caracteristica
externă liniare în acest in-
terval și că ua – us = 0 în
regim staționar, se obține:
iLkiiu
iu
L1
tdid
0 as
aa
(I.1.48)
în care indicele 0 semnifică că derivatele sunt efectuate într-un anumit
punct de funcționare și s-a notat:
0sd ad
0 as
aaR Riu
iuk
(I.1.49)
mărime care poartă denumirea de coeficient de stabilitate și este de-
pendent de rezistențele diferențiale ale arcului (I.1.23) și sursei (I.1. 46).
Din relația (I.1.48) prin integrare rezultă I.25):
tLk
0eii . (I.1.50)
Pentru ca punctul de funcționare să fie stabil este necesar ca
perturbația să se anuleze, adică la t trebuie ca i 0, ceea ce are
loc dacă k > 0 ,L fiind întotdeauna pozitiv.
Analizând pantele caracteristicii externe a sursei și caracteristicii
statice a arcului din punct de vedere al punctului stabil de funcționare a
(fig.I.1.32) se observă că în cazul a) că pentru un arc cu caracteristică
căzătoare ( 1), este necesară o sursă cu o caracteristică cuprinsă între
caracteristica și mai pronunțat căzătoare ( 2) și o aracteristica ( 3) tangentă
la caracteristica statică a arcului. Este și firesc să fie așa deoarece la o
parturbație –i cele două curbe limită determină tensiuni ale sursei mai
mari decât tensiunea arcului. Datorită scăderii curentului arcul se răcește
dar, dar scăderea este compensată de sursă care are posibilitatea săFig. I.1.31. Schema echivalentă a
circuitului de alimetare a arcului electric+
–ugR iaL
ususdua
I.25) Separînd variabilele se obține dtLk
iid, din care prin integrare rezultă:
CtLkiln . Constanta de integrare C se determină știind că la t = 0 ,i =i0. Se
obține: Ciln0 . Rezultă 0ilntLkiln din care prin gruparea termenilor se obține
tLkilniln0 sau tLk
iiln
0 care rezolvată dă tocmai relația (I.50)
I – 63UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
debiteze surplusul de putere necesară, astfel încât după dispariția
perturbației punctul de funcționare revine în a. Învers, dacă perturbația
este de valoare +i, arcul se supraîncălzește, dar deoarece tensiunea
sursei este mai mică decât tensiunea arcului acesta nu poate furniza
necesarul de putere suplimentară și după dispariția perturbației curentul
scade până la revenirea sistemului în punctul a de funcționare. Dacă sursa
are caracteristica ( 4) se observă că, oricum ar fi perturbația, tensiunea
sursei este inferioară tensiunii disipate pe arc și arcul se stinge. Prin
urmare există o plaje 1 în care trebuie să se încadreze caracteristica
externă a sursei pentru ca sistemul să funcționeze stabil. Analizând cazul
b) în care arcul are o caracteristică rigidă, plaja admisă va fi 2 între
caracteristica căzătoare ( 2) și o caracteristică foarte puțin căzătoare,
suprapusă peste caracteristica ( 1) a arcului. Pentru o caracteristică
urcătoare a arcului, plaja admisă va fi 3 cuprinsă între caracteristica
externă pronunțat coborâtoare ( 2) și caracteristica tangentă la
caracteristica statică a arcului ( 3). Între cele trei plaje de valori determi-
nate de forma caracteristicii statice a arcului există relația:
3 2 1 (I.1.51)
Se observă că în cazul celor trei cazuri specifice analizate
caracteristica ( 4) nu corespunde din punct de vedere al stabilității.
În ceaa ce privește rapiditatea revenirii subsistemului în punctul de
funcționare stabilă, procesul tranzitoriu este cu atât mai scurt cu câtua
us
ia
a)aus2
ua1us3us4ua= us
12
4
3
–i+iiaua
us
ia
b)a12
4
3ua
us
ia
c)a1 2
431
23
Fig. I.1.32. Influența pantei caracteristicii arcului și panta caracteristicii
externe admise ( a) a sursei
a) arc cu caracteristică căzătoare; b) arc cu caracteristică rigidă; c) arc
cu caracteristică urcătoare.
1 – caracteristica arcului; 2 – caracteristica externă pronunțat căzătoare;
3 – caracteristică a sursei încadrtă în plaja admisă a caracteristicii
externe; 4 – caracteristică externă necorespunzătoare
I – 64UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
constanta de timpkLT este mai mică adică cu cât coeficientul de
stabilitate k are valoare mai mare și inductanța L, valoare cât mai mică.
I.1.1.3.1.2. Stabilitatea subsistemului la variația lungimii arcului
În timpul sudării, mai ales la sudarea manuală, apar variații ale
lungimii arcului. Pentru studiul stabilității la aceste variații se ia în con-
siderație (fig.I.1.33) caracteristica externă a sursei ( 1) și caracteristicile
statice ( 2) și (3) ale unor arce de lungimi diferite ( l2 > l1). Se presupune că
în mamentul inițial arcul are lungimea l1 și punctul de funcționare al
sistemului este a (i1, u1). Prin mărirea lungimii arcului la valoarea l2, cul
= l2 – l1, punctul de funcționare se mută
înb (i2, u2) ceea ce determină o scădere
a curentului cu valoare i și o creștere a
tensiunii la bornele sursei cu valoarea us
egală cu creșterea de tensiune la bornele
arcului ua. Variația de tensiune la borbele
arcului are două componente, una apărută
exclusiv datorită variației de lungime (la
cirent i1 = constant) ual și una datorită
variației curentului (la lungime l2 =
constantă) uai. Cu aceste precizări se
poate scrie:
‘
iiuiiulluu u u
as
aa a
ai al s
(I.1.52)
relație din care, ținând seama de
coeficientul de stabilitate definit prin
relația (I.1.49) și de faptul căluEa
c , unde Ec este intensitatea câmpului
în coloana arcului, se obțineI.26):
lkEic (I.1.53)
Relația scoate în evidență faptul că variația curentului este direct
proporțională și de semn contrar cu variația lungimii. Pe de altă parte la unFig. I.1.33. Funcționarea
subsistemului sursă-arc la
modificarea lungimii arcului.
1 – caracteristica externă a
sursei; 2 – caracteristica
statică a arcului de lungime l1;
3 – caracteristica statică a
arcului de lungime l2.us, ua
iaiku0us
ualuai
ua
ib
a
l1l2l1 <l21
23
i1i2u1u2
I – 65UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
l dat, i este cu atât mai mic cu cât coeficientul de stabilitate k are o
valoare nai mare și cu cât intensitatea câmpului în coloana arcului, Ec,
este mai mică.
Considerându-se o caracteristică a arcului cu pantă dată ( 1) și
aceiași caracteristică după mărirea lungimii arcului de la l1 lal2 – curba
(2), rezultă că, la o aceiași variație de lungime, variația de curent este cu
atât mai mică cu cât panta caracteristicii externe a sursei este mai mare,
curbele ( 3) și (4) și devine nulă în
cazul unei caracteristici externe
(5), normală la axa curentului
(fig.I.1.34).
Pentru o caracteristică
externă dată ( 1), variația
curentului de sudare, ca urmare a
lungirii arcului, este maximă în
cazul arcului cu caracteristica
coborâtoare ( 2), medie în carul
arcului cu caracteristica statică
rigidă ( 3) și minimă în cazul arcului
cu caracteristica statică urcătoare
(4) (fig.I.1.35).
În cazul unor automate de
sudare, acestea au înglobate
servomecanisme care mențin au-
tomat tensiunea arcului ua egală
cu o tensiune de referință ur. La
aceste automate abaterea
staționară a curentului la perturbarea lungimii arcului este cu atât mai
mică cu cât coeficientul de stabilitate k este mai mare și este mai mică
eroarea staticăI.27) a sistemului de reglare a tensiunii.
I.1.1.3.2. Subsistemul sudării cu electrod fuzibil
I.26) Din
as
aa a
iuiiullu după ordonare se obține: iiuiiu
aa
as
lluiiu
iua
aa
as
. Înlocuind k șiEc rezultă: lEikc din care se obține
relația (I.53)Fig. I.1.34. Variația curentului de
sudare la creșterea lungimii arcului
în cazul surselor cu diferite
caracteristici externe.
1, 2 – caracteristici statice ale arcului
3, 4, 5 – caracteristici externe ale
sursei;12
3
45
abcu
i1i
2i
3il2
l1l2 > l1
3i >2i >1i
I – 66UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
I.27) Eroarea statică a sistemului este: uas = ur – ua. Pe de altă parte uas = Ec·l.
În conformitate cu relația (I.53) abaterea staționară a curentului va fi i = –uas· k-11
2
34
ab
cu
i 1i
3il2
l1l2 > l1
3i >2i >1i
2id
Fig. I.1.35. Variația curentului
de sudare la creșterea lungimii
arcului în cazul surselor cu
diferite caracteristici externe.
1 – caracteristica externă a
sursei; 3, 4, 5 – caracteristici
statice ale arcului;În cadrul acestui subsistem se
încadrează sudarea sub flux ( SF),
sudarea în mediu de gaz protector
(MIG,MAG ) și, în anumite limite,
sudarea manuală cu electrozi înveliți
(SM).
I.1.1.3.2.1. Cazul vitezei
constante de înaintare
a sârmei electrod
Pentru analiză se ia în
considerare schema de principiu a
unui astfel de sistem (fig.I.1.35).
Arcul electric 1, alimentat de
la sursa 3, arde între vârful sârmei
electrod 4, desfășurată din colacul 5
și piesa de sudat 2. Pentru obținerea
unei viteze constante de avans a sârmei va este prevăzut mecanismul cu
role6, rotit cu turația constantă n, de câtre motorul de curent continuu 7,
cu excitația separată 8, alimentată cu tensiune constantă de la redresorul
stabilizat 9.
Viteza de avans a sârmei electrod poate fi modificată prin variind
turația motorului 7, prin reglarea tensiunii UM, obținută de la blocul de
alimentare 10, stabilizat față de variațiile de tensiune ale rețelei.
Un astfel de sistem se simbolizează prescurtat SVC, înțelegând
prin aceasta sistem cu viteză constantă de avans a sârmei .
Se consideră că sârma electrod 4 trece prin contactul electric 11
(fig.I.1.36), între capătul ei și piesa 2 amorsând arcul electric 1. Se remar-
că distanța de la piesa de contact la capătul sârmei electrod, numită
lungime liberă și notată ll. Cu aceste precizări și notând cu t timpul se
poate scrie:
a tavvtdldv (I.1.54)
În regim staționar variația lungimii arcului este nulă și prin urmare v = 0,
ceea ce implică vt = va, în care vt este viteza de topire a sârmei electrod și va
viteza de avans a acesteia. Rezultă deci că, în regim staționar, sârma
I – 67UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
înaintează cu aceiași viteză cu care se topește capătul la care se amorsează
arcul. Viteza de topire a electrodului poate fi exprimată prin relația:
a u ai t ukikv (I.1.55)
în care ki șiku sunt niște constante. Membrul doi din dreapta expresiei
semnifică faptul că odată cu creșterea lungimii arcului, energia sa este
mai puțin eficient utilizată la topirea electrodului.
În regim staționar este deci valabilă relația:
a u ai t a ukikv v (I.1.56)
din care rezultă valoarea curentului ia necesar pentru topirea electrodului
cu viteză va:
u a a
iu
ia
a iiukk
kvi (I.1.57)
în care ia’ este un curent ipotetic de mărime constantă, necesar pentru
topirea electrodului cu viteza va, iariu’ – creșterea de curent necesară
pentru compensarea existenței unei tensiuni ua 0.Fig. I.1.35. Schema de principiu a unui sistem
cu viteză constantă de înaintare a sârmei.
1 – arc electric; 2 – piesa de sudat;
3 – sursa de curent pentru sudare;
4 – sârma electrod; 5 – colac de sârmă;
6 – role de antrenare; 7 – motor de
antrenare; 8 – excitație motor;
9 – redresor stabilizat;
10 – bloc de alimentare; 11 – piesă de
contact.9
8
75
6
4 3
2111
10n
va
ia
~/=ua~
~M—
UM
Fig. I.1.36. Explicativă
privind zona de sudare în
cazul SVC.
1 – piesă de contact;
2 – sârmă electrod;
3 – arc electric; 4 – pisa de
sudat; va – viteza de avans a
sârmei; vt – viteza de topire;
ll- lungimea liberă;
la – lungimea arcului;
v – viteza vârfului sârmei
electrod1
2
3+v
–vva
vt
llla
L
4
I – 68UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
Dependența funcțională dată de relația (I.1.37) poartă numele de
caracteristica de funcționare stabilă sau caracteristica statică a
sistemului de autoreglare . Aceasta este o dreaptă aproape normală la
axaiaI.28). Pentru diverse valori ale va caracteristicile de funcționare stabile
sunt paralele (fig.I.1.38).
În baza celor arătate se desprind următoarele concluzii:
la viteză va con-
stantă, SVC asigură menținerea
constantă a curentului, fără
ajutorul unui sistem de
autoreglare, ceea ce justifică
denumirea de sistem cu
autoreglare;
la mărirea vitezei
de avans caracteristica de
funcționare stabilă se deplasează
spre dreapta, paralelă cu ea însăși
– dreptele 1,2,3;
dacă ki șiku nu
sunt constanteI.29) caracteristica
de funcționare stabilă nu mai
este o dreaptă – curba 5. Dacă
ku=0, curentul este absolut constant – dreapta 4
La sistemul SVC este foarte importantă mărimea lungimii libere li.
Cu cât lungimea liberă este mai mare, la viteza de avans va a sârmei fiind
constantă, cu atât este mai mic curentul necesar pentru topirea sârmei
electrod (fig.I.1.39).I.30)
Analiza subsistemului sursă de curent – aparat de sudare – arc
electric se face introducând în același sistem de coordonate caracte-
ristica externă a sursei ,caracteristica de funcționare stabilă și
caracteristica arcului (fig.I.1.40). Luând în considerație o sursă cu carac-
teristica 1 și caracteristica de funcționare stabilă corespunzătoare lui va1Fig. I.1.38. Caracteristici de funcționare
stabilă pentru diferite valori ale va și la
ll = constant. 1, 2, 3 – cazul ku > 0,
ku = const.; 4 – cazul ku = 0; 5 – cazul
ku > 0, ku const.ua
ia41
2350 < ku = ct.
va1va2va3va1 < va2 < va3
va1ku = 0ll = ct.
0 < ku ct.
va3
I.28) Afirmația este valavilă pentru tensiuni ua cuprinse între 30 și 50 [V] la care
curentul iu’ nu depășește 5-10 % din ia’.
I.29) Independente de valoarea curentului și a tensiunii arcului.
I.30) Curentul care străbate lungimea liberă determină o încălzire a sârmei electrod
prin efect Joule-Lenz și în consecință viteza de topire și deci și viteza de avans a sârmei
vor crește odată cu mărirea lungimii libere. Tehnologic, fenomenul este foarte important
deoarece dacă se dorește mărirea cantității de metal depus, în condițiile unei adâncimi de
pătrundere cât mai mici, este rațională mărirea lungimii libere și micșorarea curentului.
I – 69UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
–3, punctul de funcționare stabilă va fi a (i1, u1), prin care trebuie să tracă
și caracteristica statică a arcului 5. Modificând caracteristica externă a
sursei din 1 în2, punctul de funcționare stabilă va deveni b (i2, u2). Se
remarcă o scădere nesemnificativă a curentului și o micșorare importantă
a tensiunii, astfel încât se poate scrie:
ii
uu (I.1.58)
Pe de altă parte, păstrând constantă caracteristica externă a sursei
1 și micșorând viteza de avans a sârmei la valoarea va2, punctul stabil de
funcționare se mută în c (i3, u3), caracterizat printr-o scădere semnificativă
a curen tului și o creștere mică a tensiunii, ceea ce se poate traduce prin
expresia:
uu
ii (I.1.59).
În concluzie, în cazul SVC,dacă se dorește modificarea curentului
de sudare se modifică viteza de avans a sârmei electrod, iar dacă se
dorește modificarea tensiunii se acționează asupra caracteristicii externe
a surseiI.31).
Introducerea celor trei caracteristici în același sistem de coordonate
permite o analiză pertinentă a oricărei situații. Pentru exemplificare se con –
sideră variația întâmplătoare a vitezei de avansI.32).Apreciind că modificarea
luiva este per sistentă și luând pentru simpli ficare cazul ku = 0 (fig.I. 1.41) seFig. I.1.39. Caracteristici de
funcționare stabilă pentru diferite
valori ale lui ll, la va = constantiava = ct.
ll3 < ll2 < ll3
ll1ll2ll3uau
i i1i2i3u0
u3u1
u2c
a
b1
23 4
5
67va2 < va1va2va1
Fig. I.1.40. Determinarea condițiilor
de funcționare în cazul SVC.
1, 2 – caracteristici externe ale
sursei; 3, 4 – caracteristici de
funcționare stabilă; 5, 6, 7 – carac-
teristi statice ale arcelor; a, b, c –
puncte de funcționare stabilă.
I – 70UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
I.31) Dacă se mărește distanța L (v. fig. I.1.36) prin îndepărtarea pistoletului capului
de sudare, se mărește lungimea liberă astfel încât caracteristica de funcționare stabilă
se translatează spre stânga, obținându-se un efect similar micșorării vitezei de avans a
sârmei. De asemenea modificarea întâmplătoare a curentului, la modificarea tensiunii
sursei de alimentare este cu atât mai mică cu cât caracteristica 3 se apropie de normala
la axa absciselor, adică cu cât coeficientul ku are o valoare mai mică. În plus variația
parazită a tensiunii la modificarea dorită a curentului prin schimbarea vitezei de avans a
sârmei este cu atât mai mică cu cât caracteristica externă este mai pronunțat căzătoare.
I.32) Modificarea întâmplătoare a vitezei de avans are loc datorită alunecării sârmei
față de rolele de antrenare, modificării cuplului reztistent la arborele motorului de antrenare
sau modificării tensiunii de alimentare a motorului.observă câ scăderea vitezei de
avan a sârmei electrod de la
valoarea va1 la valoarea va2
impune micșorarea curentului de
la valoarea i1 la valoarea i2. Dacă
caracteristica externă este
pronunțat căzătoare ( 3), punctul
de funcționare stabilă se mută
înb, căruia îi cores punde o
creștere de tensiune u1,
respectiv o creștere a lungimii
arcului l1. Pentru o
caracteristică externă rigidă 4,
punctul stabil de funcționare va
fic, căruia îi corespunde o
creștere u2 respectiv l2. Dacă
caracteristica externă a sursei
este urcătoare ( 5), punctul de
funcționare stabilă devine d,
pentru care apar variațiile u3,
l3. Deoarece u3 <u2 <u1
și ținând seama că variațiile de tensiune ale arcului determină modificări
nedorite asupra configurației geometrice a cusăturii, este necesar ca în
cazul SVC sursa să aibă o caracteristică externă rigidă sauurcătoare .
În cursul operației de sudare apare frecvent modificarea bruscă a
lungimii arcului cu lI.33) din situația când punctul de funcționare stabilă
este a (cul = l0). Ca urmare punctul de funcționare se mută în b,c saud,
după cum caracteris tica externă este coborâtoare – 1, rigidă – 2 sau
urcătoare – 3 (fig. I. 1.42). Aceste puncte nefiind pe caracteristica de
funcționare stabilă nu pot fi puncte de funcționare stabile și sistemul rămâne5u
i i1i2ku = 0
va2 < va1u1 >u2 >u3
va2 va1
b
7
68
9c
a
34u3 (l3)
u1 (l1)u2 (l2)1 2
d
Fig. I.1.41. Influența modificării
întâmplătoare a vitezei de avans a
sârmeia supra variației lungimii
arcului ( l) în cazul SVC.
1, 2 – caracteristici de funcționare
stabilă; 3, 4, 5 – caracteristici externe
ale sursei; 6, 7, 8, 9 – caracteristici
statice ale arcului; a, b, c, d – puncte
de funcționare stabilă.
I – 71UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
în aceste puncte numai timpul
foarte scurt datorită inerției
termice a vârfului electrodului.
Pentru ca subsistemul să
revină în punctul a de
funcționare sta bilă este
necesar ca lungi mea arcului să
scadă în timp la mărimea l0.
Acest lucru se realizează în
toate cazurile, deoarece
curentul scade indiferent de
poziția punctului de
funcționare b,c sau d șiv
devine negativ (v. fig. I.1.38),
adică ținând seama că vaeste
constant., vt scade și ca ur-
mare crește lungimea liberă,
ceea ce duce la scurtarea
arcului.
Procesul în urma căruia
după perturbarea lungimii
arcului SVC revine în starea
inițială poartă numele de
autoreglarea arcului / /.
Calitativ, putem aprecia că fenomenul de autoreglare intervine mai
prompt în cazul surselor cu caracteristica externă rigidă sau urcătoare
deoarece i3 >i2 >i1, adică scăderea de curent este mai pronunțată în
cazul acestor caracteristiciI.34).
La momentul t = 0 ca urmare a modificării lungimii arcului apar. O
modificare instantanee a tensiunii u și una a curentului i. Pentru t > 0
avem:
1a u 0u 0i 1a t v) u(k)i i(k vvv (I.1.60)
Deoarece în cazul ideal ki·i0 – ku·u0 – va1 = 0 relația devine:
ukik vvv u i 1a t (I.1.61)
I.33) Modificările lungimii arcului pot avea loc datorită manevrelor imperfecte ale
operatorului sudor, a mișcărilor de pendulare în rost, imperfecțiunilor de asamblare, a
denivelărilor de pe piesele de sudat etc.
I.34) Pentru sudarea MIG și MAG care necesită manifestarea procesului de
autoreglare sunt necesare surse cu caracteristică rigidă sau oșor urcătoare.Fig. I.42. Explicativă privind autoreglarea
arcului la modificarea în salt a lungimii în
cazul păstrării constante a vitezei de
înaintare a sârmei.
1, 2, 3 – caracteristici externe ale sursei;
4 – caracteristica de funcționare stabilă;
5, 6. – caracteristici statice ale arcelor;
a – punct de funcționare stabilă; b, c, d –
puncte de funcționare instabilă
(tranzitorie)lo +lu
iu1va
dc b
a
i1i2 i3
l (u1)
1234
i2i3 i156
I – 72UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
Ținând seama de relațiile (I.1.23), (I.1.49), (I.1.50) și (I.1.53) rezultă:
kR1kkkEltd)l(d
tdldvad
ui
caI.35)
(I.1.62)
Notând Tar – constanta de timp a procesului în cazul SVC:
kR1kkkE1T
ad
ui
car (I.1.63)
se obține:
arTl
dtldv . (I.1.64)
Integrând această relație I.36) și punând condiția ca la t = 0 să avem
l = l0 se obține:
arTt
0ell
(I.65)
În general Tar > 0I.37) ceea ce implică într-un sistem în care k > 0
pentru tl 0, ceea ce arată că procesul de reglare este stabil .
Este important de remarcat că procesul tranzitoriu este cu atât mai
scurt cu cât constanta de timp Tar este mai mică. Remarca este importantă
datorită faptului că perturbarea lungimii arcului poate produce modificări
nefavorabile în conformația geometrică a cusăturii. Pentru ca procesul de
autoreglare să se facă foarte rapid (v. rel. I.1.63) estre necesară mărirea
intensității câmpului în coloana arcului Ec, respectiv mărirea coeficientului
kiI.38 ) având expresia:
2i
idAk (I.66)
ceea ce implică micșorarea diametrului d a sârmei electrod și mărirea
I.35) Din i RkkklEukikvsd u ic
u i , cu: lkEic , iiuu
as
i Rsd , ținând seama că k R Rad sd și folosind aceiași expresie pentru i se
obține: lkEk RkkklE vc
ad ui
c în care ordonând termenii și dând factor
comun rezultă relația (I.62).
I.36) Separând variabilele:
arTtd
lld, după integrare rezultă: CtT1lln
ar .
Pentru t = 0 ,l =l0, din care rezultă C = l0.
I.37)Ec,ki,ku sunt pozitive.
I.38) Valorile lui ki sunt cuprinse în limitele 2 ·10-2 … 5,5 ·10-1 [mm s-1A-1]
I – 73UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
coeficientului de topire c [g/As]. A este o constantă.
De asemenea se poate acționa prin micșorarea coeficientului de
stabilitate kI.39), adică prin utilizarea unei surse cu caracteristica externă
cât mai rigidă, respectiv prin mărirea coeficientului kuI.40).
I.1.1.3.2.2. Cazul vitezei de înaintare asârmei electrod,
dependentă de tensiunea arcului
Un sistem cu viteza de înaintare a sârmei dependentă de
tensiunea arcului (fig.I.1.43) se notează prescurtat SVD și utilizează
aceleași notații ca în cazul SVC.
Tensiunea arcului ua este comparată cu tensiunea de referință ub,
egală cu valoarea dorită pentru tensiunea de sudare, în comparatorul 12.
Semnalul de ieșire din compa-
rator, notată ue și având valoarea
diferenței între cele două mă-
rimi, comandă amplificatorul de
putere 13, alimentat cu tensi-
unea stabilizată UB, obținută de
la blocul de alimentare 10.
Semnalul de ieșire din amplifi-
cator, UM, acționează asupra
motorului 7 în sensul măririi sau
micșorării vitezei de avans va
ceea ce influențează lungimea
arcului, respectiv tensiunea
arcului ua, care se mărește sau
se micșorează astfel încât mă-
rimea ue 0. De exemplu, dacă
se mărește accidental
tensiunea arcului ua = ub, la
valoarea ua’ = ua +u, din com-
parator, rezultă mărimea ue = ua’
– ub =u amplificată la valoarea
UM, ce determină creșterea
I.39)k este cuprins de regulă în limitele 1 ·10-2 … 4 ·10-2 [V A-1]
I.40)ku are valori cuprinse între 0,5 ·10-1 și 2 [mm s-1 V-1]Fig. I.1.43. Schema de principiu a unui
sistem cu viteză constantă de
înaintare a sârmei.
1 – arc electric; 2 – piesa de sudat;
3 – sursa de curent pentru sudare;
4 – sârma electrod; 5 – colac de
sârmă; 6 – role de antrenare; 7 – motor
de antrenare; 8 – excitație motor; 9 –
redresor stabilizat; 10 – bloc de
alimentare motor; 11 – bloc de
alimentare comparator; 12 – compara-
tor; 13 – amplificator; 14 – piesa de
contact9
8
75
6
4 3
2 1
1110
n
va
ia
~/=
ua~M—
12
ubueUM
UB~~
13
14
I – 74UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
turației motorului de antrenare a sârmei electrod. Prin mărirea vitezei de
avans lungimea arcului scade și implicit să scade și ua’ până la atingerea
valorii de referință ub, ceea ce se traduce prin condiția ue =u = 0 .
Analitic avem:
)uu(k v b ar a (I.1.67)
în care kr este o constantă a sistemului dependentă de amplificatorul 13.
În regim staționar, ( vt = va) ținând seama de relația (I.1.55) se obține:
)uu(k ukik b ar au ai (I.1.68)
din care:
a
u rr
b a
u ri
u rr
b a ikkkuikkk
kkku u (I.1.69)
unde
u rr
b bkkku u este o tensiune constantă, corespunzătoare valorii
nule a curentului de sudare.
Reprezentând grafic într-un sistem de coordonate u, i relația obținută
(fig.I.1.44), se obține caracteristica statică a sistemului de reglare 1.
Unghiul este cu atât mai mic cu
câtkr are valoare mai mare, devenind
egal cu zero dacă kr ,ki șiku
având valori constante. Cu această
precizare, punctul de funcționare
stabilă este a (i1,u1), la intersecția
caracteristicii statice a sistemului de
reglare 1 cu caracteristica externă a
sursei 2. Pentru simplificare nu s-a
trasat pe figură caracteristica statică
a arcului, subînțelegându-se că și
aceasta trece prin punctul de
funcționare stabilă a.
Dacă caracteristica externă se
modifică devenind 3, punctul de
funcționare se mută în b (i2,u2) ceea
ce determină o creștere importan tă a
curentului la valoarea i2 și o creștere nesemnificativă a tensiunii la valoarea
u2. Acest lucru permite afirmația că în cazul SVD modificarea curentului de
sudare se obține prin modificarea caracteristici externe a sursei .
Comparând cu cazul SVC , reprezentat în același sistem de
coordonate prin caracteristica de funcționare stabilă 4, se observă cău
u3
u4u2u1u0c
bd
a3
2
15
i2i3i1i4
Fig. I.1.44. Determinarea condițiilor
de funcționare stabilă în cazul SVD.
1, 5 – caracteristici statice ale
sistemului de reglare; 2, 3 –
caracteristici externe ale sursei;
4 – caracteristica de funcționare
stabilă în cazul SVC
I – 75UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE
modificarea caracteristicii externe determină mutarea punctului de func-
ționare stabilă în punctul c (i3,u3) ceea ce se traduce printr-o creștere
substanțială a tensiunii la valoarea u3 și o creștere nesemnificativă a
curentului la valoarea i3.
În concluzie reglarea internă a arcului (autoreglarea în cazul SVC)
se petrece la curent aproximativ constant iar reglarea externă (în cazul
SVD)se produce la tensiune aproximativ constantă / /.
Revenind la sistemul SVD, menținând constantă caracteristica
externă 2, dar mărind tensiunea de referință ub se obține o nouă
caracteristică 5 a sistemului de reglare, căreia îi corespunde punctul de
funcționare stabilă d (i4,u4). Acest lucru determină o creștere substanțială
a tensiunii la valoarea u4 și o scădere nesemnificativă a curentului la valoarea
i4. În concluzie, în cazul SVD modificarea tensiunii arcului se obține prin
modificarea tensiunii de referință .
În ceea ce privește influența perturbării lungimii arcului , prin analogie
cu cazul SVC, la apariția unei modificări în treaptă a lungimii arcului cu
l0 la momentul t = 0 determină un regim tranzitoriu în care l variază în
raport cu timpul conform relației:
rTt
0el l (I.1.70)
În care constanta de timp a sistemului, notată Tr are valoarea:
kR1)k k(kkE1T
ad
r ui
cr (I.1.71)
Comparând această mărime cu valoarea Tar, valabilă în cazul SVC
(I.1.63), se pune în evidență apariția factorului kr care se adună cu ku,
lucru firesc deoarece la sistemul SVD pe lângă reglarea externă se manifestă
șiautoreglarea . Acest lucru determină:
ar rT T (I.1.72)
diferența fiind cu atât mai mare cu cât kr are o valoare mai mare. În rest
sunt valabile toate concluziile privind constanta de timp Tar.
În principiu, în cazul în care autoareglarea nu este suficientă sub
aspectul unor cerințe tehnologice, se apelează la SVD.
În cazul sistemelor studiate s-a luat în considerație numai pertur –
barea lungimii arcului. În afară de aceasta mai pot exista și alte perturbații,
între care majoră este cea datorată tensiunii rețelei de alimentare.
O astfel de perturbare poate duce la modificarea necontrolată a
caracteristicii externe, care în cazul SVC determină mărirea semnificativă a
I – 76UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE ȘI PROCEDEE CONEXE
luiua și o mărire neesențială a lui ia (v. fig.I.1.40) și în cazul SVD la o mărire
relativ mică a tensiunii ua, alături de o mărire semnificativă a curentului ia (v.
fig.I.1.44). Modificarea caracteristicii externe poate proveni prin modificarea
necontrolată a parametrilor sursei de curent sau a circuitului de sudare, dar și
datorită modificării tensiunii rețelei . Acest lucru determină, în cazul trans-
formatoarelor și redresoarelor de curent pentru sudare, în cazul SVC (fig.I.1.45),
ca la modificarea tensiunii rețelei caracteristica externă a sursei să se mute
din1 în2, ceea ce face ca punctul de funcționare stabilă să se deplaseze din
a în b (instabil), modificare
caracterizată printr-o perturbare
persistentă u1, relativ mare și
variații i1 mici. Se observă că SVC
nu elimină perturbațiile cum ar fi cele
cauzate de variația tensiunii rețelei
ci numai cele cauzate de perturba –
rea lungimii arcului. Din acest motiv
sursele moderne sunt prevăzute cu
circuite de compensare a efectelor
variației tensiunii rețelei de ali –
mentare. În cazul SVD, modifica-
rea tensiunii rețelei determină
deplasarea punctului de funcționare
înc caracterizat printr-un u2 mic
și un i2 mare. Deoarece variațiile
de curent sunt mai dăunătoare
decât cele de tensiune rezultă că,
sub acest aspect, SVD nu are
avantaje față de SVCI.41).Fig. I.1.45. Influența perturbării
tensiunii rețelei de alimentare
asupra parametrilor procesului de
reglare.
1 – caracteristica externă a sursei
pentru tensiunea de rețea UR1;
2 – caracteristica externă a sursei
pentru tensiunea rețelei UR2;
3 – caracteristica de funcționare
stabilă în cazul SVC; 4 – caracteristica
de funcționare stabilă în cazul SVD.u
i34
ab
c1
2
i1u1
i2u2UR2
UR1UR1 < UR2
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: I – 19UTILAJE ȘI ECHIP AMENTE PENTRU SUDARE PRIN T OPIRE [622740] (ID: 622740)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.