Procedee de sudare prin topire [309425]

Capitolul 2

Procedee de sudare prin topire

2.1 Generalitați

Conform lui T. Machedon in mediul nostru natural nu există multe lucruri care să aibă o structură monolitică și frumusețea unui cristal. Majoritatea lucrurilor necesare omului sunt compuse din multe părți individuale și aceste părți trebuie îmbinate pentru a forma o singură piesă. Pentru realizarea unor structuri necesare activităților umane contemporane ingineria sudării reprezintă o opțiune importantă pentru omul modern.

Sudura este o [anonimizat],în anumite condiții de temperatură și/sau presiune.

Azi a devenit dificil depistarea domeniilor de fabricație în care asamblarea prin sudură sau a [anonimizat]. [anonimizat].

Istoria sudării cu arc electric începe cu descoperirea arcului electric de Sir Humphrey Davy în 1801. În timpul experimentelor de electricitate el a descoperit că se poate crea un arc electric de înaltă tensiune prin aducerea a două conductoare în apropiere. Acest arc producea o lumină strălucitoare și genera o [anonimizat], iar durata și intensitatea puteau fi variate. Davya demonstrat arcul electric la Institutul Regal al Angliei în 1808, unde descoperirea a stârnit un mare interes. Oricum mult timp a rămas o [anonimizat]-i găsea o întrebuințare practică.

Sudarea cu arcuri multiple a fost introdusă în 1948, inițial pentru țevi cu pereți groși. Ulterior, îmbunătățirea sudurii sub strat de flux s-a făcut în special în domeniul fluxurilor și echipamentelor. Primele procese de protecție cu gaz a unui electrod de tungsten(wolfram au devenit cunoscute ca procese de sudare cu gaz inert și tungsten (TIG,WIG).

Inițial electrodul de tungsten avea tendința de a se supra încălzi și de a transfera particule de tungsten în sudură. S-[anonimizat], dar nesatisfăcătoare pentru sudarea magneziului și aluminiu. Pentru aceasta s-a utilizat un curent alternativ de înaltă frecvență.

În 1935 procedeul a [anonimizat].

[anonimizat](GTA) a fost nesatisfăcător pentru tablele subțiri din materiale cu conductivitate mare. Pentru aceasta electrodul metalic consumabil a [anonimizat] 1938 [anonimizat] (GMA) sau MIG. Acest procedeu fiind foarte utilizat la sudarea aluminiului și pentru alte materiale neferoase. Cum procedeele GMA și GTA au fost introduse pescara industrială la începutul anilor 1950, s-a constatat că argonul și heliul sunt foarte scumpe si din acest motiv cercetătorii au utilizat ca gaz de protecție bioxidul de carbon.

Alte date importante privind inventarea procedeelor de sudare sunt:

• 1951 Paton inventează sudarea în baie de zgură;

•1953 inventarea sudării în mediu de bioxid de carbon;

• 1957 Stohr inventează sudarea cu fascicul de electroni;

• 1961 se inventează sudarea cu plasmă;

• 1970 se inventează sudarea cu LASER.

[anonimizat], a [anonimizat], cu sau fără utilizarea unui material de adaos. Sudarea metalelor este o metodă de îmbinare nedemontabilă a două sau mai multe componente, pentru a se realiza piese sau ansambluri necesare producției de bunuri materiale. În cadrul procesului de producție sudarea aparține tehnologiilor de fabricație. [10]

2.2 Clasificarea procedeelor de sudare prin topire:

În Fig.2.1 este prezentată o clasificare a principalelor procedee de sudare prin topire in funcție de sursa de energie utilizata pentru incalzire.

Fig. 2.1 Clasificarea generală a procedeelor industriale de sudare prin topire.

2.3 Simbolizarea procedeelor de sudare și de lipire a metalelor:

Conform lui T. Machedon-P [10], simbolurile procedeelor de sudare și lipire se folosesc in mod obișnuit, in desene tehnice de reprezentare și de notare a imbinărilor sudate. In tabelul 2.1 sunt prezentate simbolurile procedeelor de sudare prin topire conform ISO 4063.

Tabelul 2.1 Simbolurile procedeelor de sudare prin topire [10].

Tabelul 2.2 Abrevierile europene și americane a procedeelor de sudare prin topire [10].

Calitatea construcțiilor sudate și costul acestora sunt in mare măsură influențate de metoda de sudare aplicată, intrucat aceasta influențează direct timpul de sudare, consumul de material de adaos și de energie, productivitatea de topire și calificarea personalului necesar etc.

La alegerea procedeului de sudare este necesar să se țină seama de următorii factori:

– calitatea și dimensiunile metalului de bază;

– dimensiunile și alcătuirea cusăturii;

– condițiile de solicitare in timpul exploatării;

– seria de fabricație;

– productivitatea impusă și prețul de cost.

Se constată o tendință generală de inlocuire a procedeelor de sudare manuală, cu procedeele de sudare mecanizate sau automatizate.

In continuare sunt prezentate aspectele generale a unor procedee de sudare utilizate in practică.

2.4 Procedee de sudare

Sudarea cu flacără, este unul dintre primele procedee de sudare, este scump, neproductiv, iar calitatea cusăturii este inferioară. Chiar in această situație sudarea cu flacără mai este utilizată la lucrări de reparație, la lucrări pe șantier și uneori la sudarea tablelor subțiri.

Sudarea cu arc electric și electrozi înveliți, este un procedeu deosebit de frecvent utilizat mai ales la produsele fabricate in serie mică sau unicate,avand cusături de poziție greu accesibile sau cu lungimi reduse. Datorită productivității sale reduse există tendința de a fi inlocuit cu alte procedee.

Sudarea cu arc electric sub strat de flux este un procedeu superior de sudare, atat sub aspect productiv cat și calitativ. Aplicabilitatea sa este insălimitată la suduri orizontale sau ușor inclinate, avand lungimi suficient de mari.Avantajul esențial al sudării sub flux este posibilitatea sudării elementelor cu grosime mare cu prelucrare redusă sau chiar fără prelucrarea rostului.

Sudarea MIG/MAG este de asemenea un procedeu de sudare cu o pondere in continuă creștere la realizarea construcțiilor sudate, datorită pătrunderii marila sudare, a calității excepționale a metalului depus (conținut minim de hidrogenin sudură) cat și datorită productivității și aplicabilității deosebit de favorabile.

Sudarea WIG este un procedeu de sudare in urma căruia rezultă o cusătură cu puritate maximă. Datorită productivității sale relativ reduse și a pătrunderii reduse se utilizează numai in cazurile in care nu poate fi aplicat procedeul MIG, la sudarea oțelurilor aliate și a aliajelor neferoase .

Sudarea în baie de zgură este un procedeu de sudare avand aplicabilitate la sudarea materialelor cu secțiune mare, care asigură o răcirerelativ redusă a sudurii.

Sudarea cu plasmă poate fi realizată manual sau automat cu aplicabilitate la toate aliajele utilizate in industrie. Procedeul de sudare cu plasmă este foarte productiv și datorită factorului de concentrare a puterii sursei, care are valori mari, adancimea de pătrundere a sudurii este foarte bună.

Sudarea cu fascicul de electroni este un procedeu care asigură pătrunderea maximă, fără a fi necesară utilizarea materialului de adaos și fără a necesita prelucrarea rostului. Acest procedeu asigură o zonă influențată termic minimă precum și o productivitate și o calitate bună a imbinărilor.

Sudarea cu laser este utilizată la sudarea aliajelor speciale și lucrărilor de mare precizie și finețe, intrucat incălzirea este instantanee și cu o dozare precisă a energiei, la fel ca și la sudarea cu fascicul de electroni. Avantajul sudării cu laser față de sudarea cu fascicul de electroni constă in faptul că nu necesită instalația in camera de vid, intrucat sudarea se realizează la presiunea atmosferică[11].

2.6 Procedeul de sudare Wolfram Inert Gaz (WIG).

2.6.1 Istoria procedeului de sudare WIG/TIG

Conform Societatii Americane de sudura aparatul de sudură cu arc tungsten cu arzător (GTAW), cunoscut și sub denumirea de sudură TIG/WIG, este un procedeu de sudare prin arc care utilizează un electrod de tungsten / wolfram nefuzibil pentru a produce sudura. Suprafața de sudură și electrodul sunt protejate împotriva oxidării sau a altor contaminări atmosferice de către un gaz de protecție inert (argon sau heliu), iar un metal de umplere este utilizat în mod normal, deși unele suduri, cunoscute sub numele de suduri autogene, nu o cer. O sursă de curent de sudare cu curent constant produce energie electrică, care este condusă de-a lungul arcului printr-o coloană de gaz puternic ionizat și vapori de metal cunoscut sub numele de plasmă.

Procedeul WIG este cel mai frecvent utilizat pentru sudarea secțiunilor subțiri din oțel inoxidabil și metale neferoase, cum ar fi aluminiul, magneziul și aliajele de cupru. Procesul acordă operatorului un control mai mare asupra sudurii decât procedeele concurente, cum ar fi sudura MIG și sudura MAG, permițând suduri mai puternice și mai bune. Cu toate acestea, sudura WIG este relativ mai complexă și mai greu de stăpânit și, în plus, este mult mai lenta decât cele mai multe alte tehnici de sudare. Un proces asociat sudurii WIG este sudarea prin arc cu plasmă, utilizează o torță de sudură ușor diferită pentru a crea un arc de sudură mai concentrat și, ca rezultat, este adesea automatizat. [12]

După descoperirea arcului electric cu impulsuri scurte în 1800 de către Humphry Davy și a arcului electric continuu în 1802 de către Vasili Petrov, sudarea cu arc s-a dezvoltat încet. CL Coffin a avut ideea de sudare într-o atmosferă de gaze inerte în 1890, dar chiar și la începutul secolului XX, sudarea materialelor neferoase, cum ar fi aluminiu și magneziu, a rămas dificilă, deoarece aceste metale reacționează rapid cu aerul și facilitează formarea porilor in cusatura sudată . Procesele care utilizează electrozi acoperiți cu flux nu au protejat în mod satisfăcător zona de sudură împotriva contaminării. Pentru a rezolva problema, gazele inerte îmbuteliate au fost folosite la începutul anilor 1930. Câțiva ani mai târziu, în industria de aeronave a apărut un proces de sudure cu curent continuu, cu gaz, pentru sudarea magneziului.

Russell Meredith de la Northrop Aircraft a perfecționat procesul în 1941. Meredith a numit procesul Heliarc pentru că a folosit un arc de electrod de tungsten/wolfram și un heliu ca un gaz de protecție, dar se numește adesea sudarea tungsten cu gaz inert (TIG). Termenul oficial al Societății Americane de Sudură este sudarea cu arc de tungsten cu gaz (GTAW). Linde Air Products a dezvoltat o gamă largă de torte răcite cu aer și răcite cu apă, lentile de gaz pentru îmbunătățirea ecranării și alte accesorii care au sporit utilizarea procesului. Inițial, electrodul s-a supraîncălzit rapid și, în ciuda temperaturii ridicate de topire a tungstenului, particule de tungsten au fost transferate la sudură. Pentru a rezolva această problemă, polaritatea electrodului a fost schimbată de la pozitiv la negativ, dar schimbarea a făcut-o inadecvată pentru sudarea multor materiale neferoase. În cele din urmă, dezvoltarea unităților de curent alternativ a făcut posibilă stabilizarea arcului și producerea sudurilor de aluminiu și magneziu de înaltă calitate.

Dezvoltările au continuat în deceniile următoare. Linde a creat torte răcite cu apă care au contribuit la prevenirea supraîncălzirii la sudarea cu curenți mari. În timpul anilor 1950, întrucât procesul a continuat să câștige popularitate, unii utilizatori au inceput sa foloseasca dioxid de carbon ca o alternativă la gazele de sudare mai scumpe constând din argon și heliu, dar acest lucru s-a dovedit a fi inacceptabil pentru sudarea aluminiului și a magneziului. In zilele noastre dioxidul de carbon este rar folosit in procedeulWIG astăzi. Utilizarea oricărui gaz de protecție care conține un compus de oxigen, cum ar fi dioxidul de carbon, contaminează rapid electrodul de wolfram/tungsten, făcându-l nepotrivit procesului TIG. În 1953, a fost dezvoltat un nou proces bazat pe sudura WIG , numit sudare cu arc cu plasmă. Acesta permite un control mai mare și îmbunătățește calitatea sudurii prin utilizarea unei duze pentru a focaliza arcul electric, însă este limitat în mare măsură la sistemele automatizate, în timp ce procedeul WIG rămâne în primul rând o metodă manuală. Dezvoltarea în cadrul procesului WIG a continuat, de asemenea, și există astăzi o serie de variații.[12]

2.6.2 Procedeul de sudare WIG/TIG

Sudarea manuala WIG/TIG este o metodă de sudare relativ dificilă, datorită coordonării cerute operatorului sudor . Necesită în mod normal două mâini, deoarece majoritatea aplicațiilor necesită ca sudorul să alimenteze manual un material de adaos în zona de sudură cu o singură mână, în timp ce manipulează pistoletul de sudură în cealaltă. Menținerea unei lungimi scurte a arcului, prevenind în același timp contactul dintre electrod și piesa desudat, este de asemenea importantă.

Pentru a aprinde arcul de sudură, un generator de frecvență înaltă (similar cu o bobină Tesla) oferă o scânteie electrică. Această scânteie este o cale conducătoare pentru curentul de sudură prin gazul de protecție și permite declanșarea arcului în timp ce electrodul și piesa de sudat sunt separate, în mod obișnuit în jur de 1,5-3 mm .

Odată ce arcul a fost aprins, sudorul mișcă pistoletul într-un cerc mic pentru a crea o baie de sudură a cărei dimensiune depinde de mărimea electrodului și de cantitatea de curent. În timp ce se menține o separare constantă între electrod și piesa de sudat, operatorul mișcă ușor torța și îl înclină înapoi cu aproximativ 10-15 grade față de verticală. Materialul de adaos este adăugat manual la capătul din față al baii de sudură după cum este necesar.

Sudorul dezvoltă adesea o tehnică de alternare rapidă între mutarea pistoletului în față (pentru avansarea baii de sudură) și adăugarea materialului de umplere. Sarma de adaos este extrasă din baia de sudură de fiecare dată când electrodul avansează, dar este întotdeauna ținută în interiorul scutului de gaz pentru a preveni oxidarea suprafeței sale și contaminarea sudurii. Materialul de adaos la sudarea metalelor cu temperatură scăzută de topire, cum ar fi aluminiu, necesită ca operatorul să mențină o anumită distanță de arc în timp ce se află în interiorul scutului de gaz. Dacă este ținut prea aproape de arc, sarma de adaos se poate topi înainte de a intra în contact cu bujorul de sudură. Pe măsură ce sudura se apropie de finalizare, curentul arcului este adesea redus treptat pentru a permite ca cordonul de sudură să se solidifice și să prevină formarea fisurilor aparute in cordon la sfârșitul sudurii. [12]

Fig. 2.3.Schema de sudura WIG/TIG [13]

2.6.4. Noțiuni de SSM privind procedeul de sudare WIG

Sudorii poartă îmbrăcăminte de protecție, inclusiv mănuși de piele, ușoare și subțiri, și cămăși de protecție cu mâneci lungi, cu gulere înalte, pentru a evita expunerea la lumină ultravioletă puternică. Datorită absenței fumului în procedeul de sudare WIG, lumina electrică a arcului nu este acoperită de fum și particule, cum ar fi sudarea cu electrod sau sudarea MIG-MAG, astfel este mult mai strălucitoare, supunând operatorii la o lumină ultravioletă puternică. Arcul de sudare are o gamă diferită și rezistență a lungimilor de undă la lumina UV diferită de lumina soarelui, dar sudorul este foarte aproape de sursă și intensitatea luminii este foarte puternică. Sunt potențiale daune luminoase la nivelul ochilor și leziuni ale pielii similare cu arsuri solare puternice. Operatorii poartă căști opace cu lentile întunecate pentru ochi și acoperire completă a capului și gâtului pentru a preveni expunerea la lumină UV. Căștile moderne au adesea o placă de tip cristal lichid care se întunecă la expunerea de lumina strălucitoare a arcului. Perdelele de sudură transparente, fabricate din folie de plastic din clorură de polivinil, sunt adesea folosite pentru a proteja lucrătorii din apropiere și trecătorii de expunerea la lumina UV a arcului electric.

De asemenea, sudorii sunt adesea expuși la gaze periculoase și particule în suspensie. În timp ce procesul nu produce fum, luminozitatea arcului WIG poate descompune aerul din jur pentru a forma oxizi de ozon și azot. Oxizii de ozon și azot reacționează cu țesutul pulmonar și cu umiditatea pentru a crea acid azotic și arderea cu ozon. Nivelurile de ozon și oxid de azot sunt moderate, însă trebuie monitorizată pe durata expunerii, expunerea repetată, calitatea și cantitatea de extragere a fumului și schimbarea aerului în încăpere. Sudorii care nu lucrează în siguranță pot contracta boli ale plămânilor, ceea ce poate duce la moartea precoce. În mod similar, căldura de la arc poate provoca formarea de vapori toxici din materialele de curățare și degresare. Operațiunile de curățare care utilizează acești agenți nu trebuie efectuate în apropierea locului de sudură și este necesară ventilarea adecvată pentru protejarea sudorului. [14]

2.6.5. Domenii de aplicare

În timp ce industria aerospațială este unul dintre principalii utilizatori ai sudării WIG/TIG, procedeul este utilizat într-o serie de alte domenii. Multe industrii utilizează WIG-ul pentru sudarea pieselor subțiri, în special a metalelor neferoase. Este utilizat în mod extensiv în fabricarea vehiculelor spațiale și este, de asemenea, utilizat frecvent pentru sudarea tuburilor cu diametru mic, cu pereți subțiri, cum ar fi cele utilizate în industria bicicletelor. În plus, WIG-ul este adesea folosit pentru a realiza sudurii de rădăcină sau depunderea primului strat pentru conducte de diferite dimensiuni. În lucrările de întreținere și reparare, procedeul este utilizat în mod obișnuit pentru a repara uneltele, în special componentele din aluminiu și magneziu . [12] Deoarece materialul de adaos nu este transferat direct pe arc electric ca in cele mai dese procedee de sudura cu arc, pentru inginerul sudor este disponibil un vast sortiment de materiale de adaos pentru sudură. De fapt, nici un alt proces de sudare nu permite sudarea atâtor aliaje în atât de multe configurații de produse. Aliajele metalice de adaos, cum ar fi aluminiul elementar și cromul, pot fi pierdute prin arc electric de la volatilizare. Această pierdere nu are loc în procesul WIG. Sudurile WIG sunt foarte rezistente la coroziune și fisurare pe perioade lungi de timp, făcând din WIG procedeul de sudare preferat pentru operațiile dificile .[14]

2.6.6. Calitate

Inginerii sudori optează pentru procedeul WIG/TIG, deoarece oferă un control mai mare asupra suprafeței de sudură decât alte procedee de sudare, si pot produce suduri de înaltă calitate atunci când sunt realizate de către operatori calificați.

Calitatea maximă a sudurii este asigurată prin menținerea curățeniei – toate echipamentele și materialele utilizate trebuie să nu conțină ulei, umiditate, murdărie și alte impurități, deoarece acestea produc porozitatea la sudură și, prin urmare, o scădere a rezistenței și calității sudurii. Pentru a elimina uleiul și grăsimea, pot fi utilizați alcool sau alți solvenți comerciali, în timp ce o perie de sârmă din oțel inoxidabil sau un procedeu chimic pot elimina oxizii de pe suprafețele metalelor. Rugina de pe oțeluri poate fi îndepărtata prin utilizarea unei perii de sârmă pentru a îndeparta orice urma de impuritate. Acești pași sunt deosebit de importanți atunci când se utilizează curent direct de polaritate negativă, deoarece o astfel de sursă de alimentare nu asigură curățarea în timpul procesului de sudare, spre deosebire de polaritatea pozitivă a curentului direct sau a curentului alternativ . Pentru a menține o baie de sudură curată în timpul sudării, debitul gazului de protecție trebuie să fie suficient și consistent pentru ca gazul să acopere sudura și să blocheze impuritățile din atmosferă. Acest procedeu în medii expuse la vânt necesită o mai mare cantitatede gaz de protecțiepentru protejarea sudurii, sporind costul și făcând procesul nepopular în aer liber.

Nivelul de intrare a căldurii afectează de asemenea calitatea sudurii. Intrarea redusă a căldurii, cauzată de un curent de sudare scăzut sau de o viteză ridicată de sudură, poate limita penetrarea și poate provoca ridicarea sarmei de sudură de pe suprafața sudată. Cu toate acestea, dacă există prea multă cantitate de căldură, cusaturile de sudură cresc în lățime, în timp ce probabilitatea de penetrare excesivă crește. În plus, în cazul în care pistoletul de sudură este prea departe de piesa de sudat, gazul de protecție devine ineficient, provocând o porozitate în interiorul sudurii. Aceasta are ca rezultat o sudură cu găuri, care este mai slabă decât o sudură tipică.

Dacă cantitatea de curent utilizată depășește capacitatea electrodului, pot apărea incluziuni de tungsten/wolfram în sudură. Cunoscută ca scurgerea de tungsten, aceasta poate fi identificată prin radiografie și poate fi prevenită prin schimbarea tipului de electrod sau prin creșterea diametrului electrodului. În plus, în cazul în care electrodul nu este bine protejat de suflul gaze sau dacă operatorul îi permite accidental contactul cu metalul topit, acesta poate deveni murdar sau contaminat. Aceasta determină adesea instabilitatea arcului de sudură, necesitând ca electrodul să fie ascutit pentru a elimina impuritățile.[12]

Fig 2.4 Sudură WIG [15]

2.6.7 Echipamente

Echipamentul necesar pentru operația de sudura WIG/TIG include un pistolet de sudură care utilizează un electrod de wolfram nefuzibil, o sursă de curent de sudare cu curent constant și o sursă de gaz de protecție.

Pistoletul utilizat in procedeul de sudura WIG/TIGeste conceput pentru funcționare automată sau manuală și este echipat cu sisteme de răcire care utilizează aer sau apă. Pistoletele automate și manuale sunt similare în construcție, dar pistolul manual are un mâner, în timp ce pistolul automat vine în mod normal cu un suport de montare. Unghiul dintre linia centrală a mânerului și linia centrală a electrodului de wolfram, cunoscut sub numele de unghiul capului, poate fi modificat pe unele pistolete manuale, în funcție de preferința operatorului. Sistemele de răcire cu aer sunt utilizate cel mai adesea pentru operațiuni cu curent scăzut (până la aproximativ 200 A), în timp ce răcirea cu apă este necesară pentru sudarea cu curent ridicat (până la aproximativ 600 A). Pistoletele sunt conectate cu cabluri la sursa de alimentare și cu furtune la sursa de gaz de protecție și, acolo unde este utilizată, la alimentarea cu apă.

Piesele metalice interne ale tortei sunt fabricate din aliaje dure de cupru sau alamă, astfel încât să poată transmite eficient curentul și căldura. Electrodul de wolfram trebuie să fie ținut ferm în centrul torței cu o pensetă de dimensiuni corespunzătoare, asigurand un flux constant de gaz de protecție. Pensetele sunt dimensionate în funcție de diametrul electrodului de wolfram pe care îl dețin. Corpul pistoletului este fabricat din materiale rezistente la căldură, izolatoare care acoperă componentele metalice, asigurând izolație termică și electrică pentru a proteja sudorul.

Mărimea duzei pistoletului de sudură depindede aria de protectie care se doreste a fi acoperită. Mărimea duzei de gaz depinde de diametrul electrodului, de configurația îmbinării și de disponibilitatea accesului la îmbinare de către sudor. Diametrul interior al duzelor trebuie săfie de preferat de cel puțin trei ori diametrul electrodului, dar nu există reguli generale.. Duza trebuie să fie rezistentă la căldură și astfel este în mod normal făcută din alumină sau dintr-un material ceramic, cuarțul topit, o sticlă de înaltă puritate, oferă o vizibilitate mai mare. Dispozitivele pot fi introduse în duza pentru aplicații speciale, cum ar fi lentilele de gaz sau supapele, pentru a îmbunătăți debitul gazului de protecție, pentru a reduce turbulența și a nu introduce atmosfera contaminată în zona ecranată. Comutatoarele de mână pentru a controla curentul de sudură pot fi adăugate la pistoletulmanual. [12]

Fig. 2.5. Pistolet, duză ceramică, electrod nefuzibil de wolfram [15]:

Pistolet, 2- duză ceramică, 3 –pensetă, 4- electrod wolfram

Aparatul de sudură cu arc electric cu tungsten utilizează o sursă de current continuu, ceea ce înseamnă atat curentul (cat si căldura) rămân relativ constante, chiar dacă distanța și variația tensiunii arcului se modifică. Acest lucru este important deoarece majoritatea aplicațiilor WIG/TIG sunt manuale sau semiautomatice, necesitând ca un operator să manevreze pistoletul. Menținerea unei distanțe adecvate la arc este dificilă dacă se utilizează o sursă de tensiunecontinuua , deoarece poate provoca variații dramatice ale căldurii și face ca sudarea să fie mai dificilă.

Polaritatea pe care o utilizeaza procedeul de sudare WIG/TIG depinde în mare măsură de tipul de metal sudat. Conectarea directă cu un electrod încărcat negativ este adesea folosit în cazul sudării oțelurilor, nichelului, titanului și a altor metale. Poate fi folosit și în cazul sudării WIG automat de aluminiu sau magneziu, când heliul este utilizat ca gaz de protecție. [12]

Electrodul încărcat negativ generează căldură prin emisia de electroni, care traversează arcul, provocând ionizarea termică a gazului de protecție și creșterea temperaturii materialului de bază. Gazul de protecție ionizat curge către electrod, nu la materialul de bază, iar acest lucru poate permite oxizilor să se adune pe suprafața sudurii. Curentul direct cu un electrod încărcat pozitiv este mai puțin obișnuit și este utilizat în primul rând pentru sudurile de mică adâncime, deoarece în materialul de bază este generată mai puțină căldură. În loc să curgă de la electrod la materialul de bază, ca și în primul caz, electronii merg în cealaltă direcție, determinând ca electrodul să atingă temperaturi foarte ridicate. Pentru a-și menține forma și pentru a preveni dilatarea, se utilizează adesea un electrod mai mare. Pe măsură ce electronii curg către electrod, gazul de protecție ionizat curge înapoi spre materialul de bază, curăță sudura prin îndepărtarea oxizilor și a altor impurități, îmbunătățind astfel calitatea și aspectul.

Curentul alternativ, utilizat în mod obișnuit la sudarea manuală sau semi-automată a aluminiului și a magneziului, combină cei doi curenți direcți, făcând ca electrodul și materialul de bază să alterneze încărcarea pozitivă și negativă. Acest lucru face ca fluxul de electroni să schimbe în mod constant direcțiile, împiedicând supraîncălzirea electrodului de tungsten, menținând căldura din materialul de bază. Unele surse de alimentare permit operatorilor să utilizeze un val de curent alternativ dezechilibrat prin modificarea procentului si al timpului pe care îl consumă curentul în fiecare stare de polaritate, oferindu-le mai mult control asupra cantității de căldură și acțiunea de curățare furnizată de sursa de alimentare. [12]

Fig 2.6. Tipuri de aparate de sudură WIG/TIG [15]

a)Froniu, b) Esab, c)Miller, d)Lincoln

Electrodul folosit în suduarea WIG este fabricat din wolfram sau din aliaj de wolfram, deoarece wolframul are cea mai mare temperatură de topire în rândul metalelor pure, la 3,422 ° C (6,192 ° F). Ca urmare, electrodul nu este consumat în timpul sudării, deși poate apărea o eroziune (numită arsură).

Calitatea unui cordon de sudură WIG, depinde de tipul de electrod de wolfram/tungsten folosit si de modul de ascuțire al electrodului. Se disting electrozi de wolfram pur si electrozi cu oxizi aditivați. Diferențele între aceste tipuri de electrozi constăîn modul lor de lucru. Acest lucru arată ca pentru a avea un arc stabil, un electrod de wolfram pur devine cu 1000°C mai fierbinte ca un electrod thoriat. [12]

Densitatea de curent necesară utilizarii unui electrod pur este în fazălichidă,în timp ce pentru un electrod cu thoriu este în fază solidă. Valorile de curent aproximativ depind de diametrul electrodului, felul de curent si polaritate.Thoriu este inlocuit din ce in ce mai mult cu alți oxizi.

Forma de ascuțire a unui electrod are un rol deosebit in modul de formare a arcului electric, dar influențează direct si fluxul de caldură ce se transferă asupra piesei sudate.

Electrodul este caracterizat prin tipul de curent si polaritate, dar si de valoarea curentului de sudare. In cazul unui curent continuu cu polaritatea negativă, forma arcului de sudare este de tip con. [12]

Prin ridicarea nivelului de curent, varful electrodului devine lichid si formeaza o sfera cu un diametru egal cu diametrul electrodului.

Electrozii pot avea un finisaj curat sau un finisaj la sol – electrozii de finisaj curat au fost curățați chimic, în timp ce electrozii de finisajla sol au fost executati la o dimensiune uniformă și au o suprafață lustruită, făcându-i optimi pentru conducerea căldurii. Diametrul electrodului poate varia între 0,5 și 6,4 milimetri (0,02 și 0,25 in), iar lungimea acestora poate varia de la 75 la 610 milimetri (3,0 până la 24,0 in).

Un număr de aliaje de wolfram au fost standardizate de către Organizația Internațională pentru Standardizare și Societatea de Sudură Americană în ISO 6848 și, respectiv, AWS A5.12 pentru utilizarea electrozilor de wolfram in sudarea WIG și sunt rezumate în tabelul adiacent. [13]

Tabelul 2.3 Standardizarea electroziloe de wolfram

Electrozii de wolfram pur (clasificați ca WP sau EWP) sunt electrozii cu scop general și cu costuri reduse. Ele au o rezistență redusă la căldură și emisii de electroni. Ei găsesc o utilizare limitată în sudarea AC, de ex. magneziu și aluminiu.

Oxidul de ceriu (sau ceria) ca element de aliere îmbunătățește stabilitatea arcului și ușurința de pornire în timp ce scade arderea. Adăugarea de ceriu nu este la fel de eficace ca toriu, dar funcționează bine și ceriul nu este radioactiv.

Un aliaj de oxid de lantan (sau lanthana) are un efect similar cu ceriul și nu este, de asemenea, radioactiv. [13]

Electrozii din aliaj de oxid de titan oferă performanțe excelente de arc și pornire, făcându-le electrozi de uz general. Cu toate acestea, este oarecum radioactiv, ceea ce face ca inhalarea vaporilor de toriu și a prafului să reprezinte un risc pentru sănătate și eliminarea unui risc de mediu.

Electrozii care conțin oxid de zirconiu (sau zirconiu) măresc capacitatea curentă, îmbunătățind în același timp stabilitatea și pornirea arcului, crescând în același timp viața electrodului. [13]

Producatorii de electrozi de wolfram pot confectiona electrozi cu diferite aliaje in functie de cerinta clientilor.

2.6.8 Gazul de protecție

La fel ca și în cazul altor procedee de sudare, cum ar fi sudarea cu arc electric, gazele de protectie sunt necesare la sudarea TIG/WIG pentru a proteja baia de metal de gazele atmosferice, cum ar fi azotul și oxigenul, care pot cauza defectele de îmbinare, pori și corodareamaterialului de bază dacă intră în contact cu electrodul, arcul electric sau materialul sudat . De asemenea, gazul transferă căldura de la electrodul de wolfram la materialul de bază și ajută la pornirea și menținerea unui arc stabil .

Selectarea unui gaz de protecție depinde de câțiva factori, inclusiv tipul de material sudat, designul articulației și aspectul final de sudură dorit. Argonul este cel mai frecvent utilizat gaz de protecție pentru WIG, deoarece ajută la prevenirea defectelor datorate unei lungimi diferite a arcului. Când se utilizează cu curent alternativ, argonulofera o calitate superioară sudării și un aspect bun.

De asemenea, un alt gaz de protecție utilizat in sudura WIG este heliu, folosit cel mai adesea pentru a mări pătrunderea cusăturii sudate într-o îmbinare, pentru a mări viteza de sudură și a suda metale cu o conductivitate termică ridicată, cum ar fi cuprul și aluminiu. Un dezavantaj semnificativ îl constituie dificultatea amorsăriiarcului electricatunci cand se sudează cu heliu ca gaz de protecție.

Amestecurile de argon și heliu sunt, de asemenea, utilizate frecvent în sudura automată WIG, deoarece acestea pot crește controlul consumului de căldură, menținând în același timp beneficiile utilizării argonului. În mod normal, amestecurile sunt realizate în principal cu Argon(adesea de aproximativ 75% sau mai mare) și restul cu Heliu. Aceste amestecuri măresc viteza și calitatea sudării in special a aluminiului și, de asemenea, facilitează amorsarea arcului . Un alt amestec gazos de protecție, argon-hidrogen, este utilizat în sudarea mecanizată a oțelului inoxidabil, dar datorită faptului că hidrogenul poate provoca porozitatea, utilizările sale sunt limitate [12].

În mod similar, azotul poate fi adăugat uneori în argon pentru a ajuta la stabilizarea austenitului în oțelurile inoxidabile austenitice și la creșterea penetrării la sudarea cuprului. Datorită problemelor de porozitate din oțelurile ferite și beneficiile limitate, totuși, nu este unaditiv popular de gaz protecție.[12]

Comparând proprietățile celor două gaze inerte se remarcă următoarele:

– potențialul de ionizare al argonului este mai mic (15,7 V) decât cel al heliului (24,5 V). Ca atare, la aceiași curent de sudare și aceeași lungime a arcului, tensiunea arcului în heliu va fi mai mare decât în argon și, ca efect, puterea arcului în heliu și pătrunderea sudurii vor fi mai mari. La sudarea în heliu se pot utiliza viteze de sudare mai înalte.

– argonul este mai greu decât aerul, în timp ce heliul este mai ușor. De aceea, pentru a asigura același nivel al protecției gazoase este necesar un debit de heliu mai mare decât cel de argon. în același timp, pretențiile pentru poziționarea arzătorului față de piesă sunt mai ridicate la sudarea în heliu. Din acest motiv, sudarea în heliu se aplică, mai ales. în varianta mecanizată;

-amorsarea arcului electric este mai dificilă în heliu decât în argon. Uneori, la sudarea în heliu se preferă, amorsarea arcului electric în argon și schimbarea ulterioară a gazului de protecție;

-prețul argonului este mai redus decât cel al heliului;

-la sudarea în curent continuu cu polaritate inversă, utilizarea argonului permite obținerea efectului de microsablare. Datorită bombardării piesei cu ioni grei de argon se produce o curățire superficială a piesei de peliculele de oxizi greu fuzibili, situație favorabilă în cazul sudării aluminiului.

Prin adăugarea hidrogenului la argon se produce o creștere a tensiunii arcului și a căldurii generate la sudare. Aceste efecte sunt favorabile în cazul sudării unor piese de secțiune mare sau a unor materiale cu conductibilitate termică înaltă. Adăugarea hidrogenului este interzisă însă la sudarea aluminiului, cuprului și magneziului, datorită pericolului de apariție a fisurilor și porilor în sudură. Argonul se utilizează, în general, la sudarea oricăror materiale metalice.

Heliul sau amestecuri argon – heliu (cu până la 75% He) sunt recomandate pentru sudarea aluminiului și cuprului.

Amestecuri argon – hidrogen sunt folosite la sudarea oțelurilor înalt aliate Cr-Ni, precum și la sudarea aliajelor de nichel.

In cazul sudării materialelor reactive (ca de exemplu titan) sunt necesare măsuri speciale de protecție, fie prin utilizarea unor sisteme suplimentare de introducere a gazului de protecție, fie prin modificarea corespunzătoare arzătorului.

Gazele la sudare sunt standardizate, standardul SR EN ISO 14175: 2008 înlocuind standardul SR EN 439. Conform standadrdului, gazele și amestecurile de gaze trebuie clasificate prin numărul standardului internațional, urmat de simbolul gazului. Clasificarea se bazează pe comportamentul chimic al gazului sau amestecului de gaze.

Literele de codificare și cifrele utilizate pentru grupa principală sunt:

I: gaze inerte și amestecuri de gaze inerte;

M1, M2 și M3: amestecuri de gaze oxidante conținând oxigen și/sau dioxid de carbon; C: gaze puternic oxidante și amestecuri de gaze puternic oxidante; R: amestecuri de gaze reducătoare;

N: gaze slab reactive sau amestecuri de gaze reducătoare conținând azot; O: oxigen;

Z: amestecuri de gaze care conțin componente necitate in standard[16]

2.6.9. Materiale

Procedeul de sudare WIG este utilizat cel mai frecvent pentru sudarea materialelor din oțel inoxidabil și neferoase, cum ar fi aluminiu și magneziu, dar poate fi aplicat la aproape toate metalele, cu o excepție notabilă fiind zincul și aliajele sale. Aplicațiile sale care implică oțeluri de carbon sunt limitate nu datorită restricțiilor de proces, ci datorită existenței unor tehnici mai eficiente de sudare a oțelului si cu costuri mai reduse. Mai mult, sudura WIG poate fi efectuată într-o varietate de poziții altele decât cele plate, în funcție de priceperea sudorului și a materialelor sudate. [12]

Aluminiu și magneziu sunt cel mai adesea sudate cu curent alternativ, dar este posibilă și utilizarea curentului continuu, în funcție de proprietățile dorite. Înainte de sudare, zona de lucru trebuie curățată și poate fi preîncălzită la 175 până la 200 ° C pentru aluminiu sau până la maximum 150 ° C (302 ° F) pentru piesele groase de magneziu pentru a îmbunătăți patrunderea și totodata creșterea vitezei de deplasare. Curentul alternative poate oferi un efect de auto-curățare, înlăturând stratul subțire de oxizi care se formează pe materialul de aluminiu în câteva minute de expunerea la aer. Acest strat de oxid trebuie îndepărtat pentru ca sudarea să aibă loc.

Când se utilizează curent alternativ, electrozii puri din wolfram sau electrozii de wolfram aliați cu zirconiu sunt preferați, iar pentru piesele subțiri ar trebui să se utilizeze gaz de protecție argon pur. Introducerea heliului permite o penetrare mai mare în piesele mai groase, dar poate face dificilă pornirea arcului.

Pentru oțeluri carbonice și inoxidabile, alegerea unui material de adaos este importantă pentru a preveni porozitatea excesivă. Oxizii de pe materialul de adaos și de pe piesele de sudat trebuie îndepărtați înainte de sudare pentru a preveni porii, tocmai de aceea se utilizeaza lichide specifice de curatare a suprafetei. [12]

Preîncălzirea nu este, în general, necesară pentru oțeluri moi cu o grosime mai mică de 1 cm, dar oțelurile slab aliate pot necesita preîncălzirea pentru a încetini procesul de răcire și pentru a preveni formarea martensitei în zona afectată termic. Oțelurile pentru scule trebuie, de asemenea, să fie preîncălzite pentru a preveni fisurarea în zona afectată termic. Oțelurile austenitice nu necesită preîncălzire, dar oțelurile inoxidabile martensitice și feritice da. Se utilizează în mod normal o sursă de curent continuuși se recomandă electrozi de wolfram aliați cu thoriu, înclinați până la un punct ascuțit. Argonul pur este folosit pentru piesele subțiri, iar heliul pentru piesele cu o grosime mai mare.

Sudarea metalelor diferite generează adesea noi dificultăți la sudarea WIG, deoarece cele mai multe materiale nu fuzionează cu ușurință pentru a forma o imbinare puternică. Cu toate acestea, sudurile de materiale diferite au numeroase aplicații în procesul de fabricație, reparații și prevenirea coroziunii și oxidării. În unele suduri, un material de adaos compatibil este ales pentru a ajuta la formarea cusăturii și acest material de adaos poate fi același ca unul dintre materialele de bază (de exemplu, folosind un material de adaos din oțel inoxidabil cu oțel inoxidabil și oțel carbon ca materiale de bază), sau un metal diferit (cum ar fi utilizarea unui metal de adaos nichel pentru îmbinarea oțelului și fontei). Materialele foarte diferite pot fi acoperite sau "turnate" cu un material compatibil cu un anumit material de adaos și apoi sudate. În plus, procedeul WIG automat poate fi folosit în placarea sau în suprapunerea materialelor diferite.

La sudarea metalelor diferite, îmbinarea trebuie să aibă o potrivire precisă, cu dimensiunile potrivite ale spațiului și unghiurile de înclinare. Trebuie evitată topirea materialului de bază excesiv. Pulsul de curent este deosebit de util pentru aceste aplicații, deoarece ajută la limitarea căldurii. Materialul de adaos trebuie adăugat rapid și trebuie evitată o baie mare de sudură pentru a preveni diluarea materialului de bază. [15]

2.6.9. Variante ale sudării WIG- Sudare cu arc pulsat

Echipamentelede de sudare WIG cu arc pulsat, folosesc o metoda relativ nouă de modificare a tipului de curent, sub forma de pătrat sau sinusoidală, cu parametrii de impuls variabili (amplitudine, frecventa, raport pauză-curent etc.). La impulsul înalt de curent se aduce un aport de caldurăîn zona de sudare. Materialul de sudat este topit. In timp ce un curent mic,sio mică cantitate de caldură este adusăîn piesă. In acest timp baia topită se răcește. Curentul de valoare mică menține arcul si evităîntreruperile si dificultățile de amorsare.

La sudarea cu material de adaos, acesta se va topi împreună cu materialul de bază in timpul fazei cu impuls mare. Frecvența de impuls este intre 0.5 Hz si 10 Hz.

Caldura introdusăîn sudură poate fi modificată prin alegerea duratei si valorii curentului.

In caz extrem, cusătura sudată poate fi considerată ca o succesiune de puncte de sudare, unul langă altul sau uneori se suprapun.

Datorită sudării WIG pulsat, domeniul de aplicare a procesului WIG poate fi extins la valori mici de putere si valori reduse de grosimi de material, cu aspect foarte bun al sudurii.

2.6.10. Caracteristicile procesului de sudare WIG pulsat

Comparând sudarea WIG cu sudarea WIG pulsat avem urmatoarele avantaje si dezavantaje.

Avantajele sudării WIG pulsat:

-posibilitatea introducerii unei energii mai mici

-o mai bună patrundere in cazul sudării de materiale groase

-un arc mai stabil

-formarea unei rădacini cât mai uniforme

-o poziție de sudare mai bună

-deformații mai mici ale piesei

-o mai bună formare a băii de sudare

-o mai bună umplere a rosturilor

Dezavantaje:

-echipamente de sudare scumpe

-setările echipamentului sunt foarte complicate

2.6.11. Încărcarea prin sudare WIG cu sârmă caldă

Suprapunerea prin sudare, cunoscută și sub denumirea de placare/încărcare, acoperire prin sudură, este un procedeu în care unul sau mai multe metale sunt unite prin sudare pe suprafața unui metal de bază ca strat. Acest lucru se face în mod normal pentru a îmbunătăți materialul adăugând fie un strat cu proprietăți mecanice și fizice ridicate. Suprafețele pregătite in acest mod pot fi chiar personalizate prin stratificare si aliere a mai multor materiale diferite.

Există mai multe metode diferite pentru suprapunerea sudurilor, fiecare cu propriile aplicații și utilizări unice. Deciderea unei tehnici specifice depinde de accesul, poziția de sudare, tipul de aliaj și rata de dizolvare a componentei, împreună cu situația economică proprie. Principalele metode de acoperire a sudatelor sunt: ​​sudarea cu laser, sudarea MIG/MAG, sudura cu TIG/WIG, sudarea cu arc transferat cu plasmă (PTA), dar este posibilă placarea si cu electrod.

Asadar, placarea (depunerea) este realizată prin sudare pentru protecția unui metal cu alt metal rezistent la temperatură si presiune ridicată.

Fig. 2.7. Robinet placat, produs finit.

Scopul placării

– Modificarea proprietăților suprafeței

– o mai bună rezistență la uzură

– o mai bună rezistență la coroziune

Compoziția chimică a placării determină aceste proprietăți, deci orice element care poate influența depunerea este foarte important.

– compoziția consumabilelor de sudură (ex. sarma)

– diluția (amestecul dintre metalul de bază si materialul depus determină adâncimea de pătrundere) .

Procedeul de sudare prin care este realizată depunerea/cladding-ul este WIG automat cu sarmă caldă.

Pentru creșterea randamentului depunerii si productivitate mare la sudare cat si proprietăți termorezistente,rezistență la coroziune si presiune mare, in arcul electric se introduce un material de adaos de tip inconel sub forma de sarmă.

Încărcarea WIG cu sarmă caldă.

Principiul sudarii WIG cu sarmă caldă este ilustrat in Fig. 2.11.

Fig.2.11. Sudarea WIG cu sarmă caldă.[15]

1- arzător pentru sudare; 2 – sarmă caldă.

Procedeul de sudare WIG cu sarmă caldă face parte din procedeele speciale de sudare WIG.

Materialul de adaos, sarma este conectată intr-un circuit electric separat, fiind încalzită prin efectul Joule-Lenz la o tensiune scazută si un curent de tip alternativ pentru a împiedica suflajul magnetic. Sarma este adusă in fața băii topite pe directia de sudare , deoarce in spatele arcului electric, cusatura in curs de solidificare împiedică acest lucru.

Sudarea WIG cu sarmă caldă se aplica in special in variantele mecanizate si robotizate, când pistoletul de sudare si mecanismul ce asigură avansul mecanizat al materialului de adaos formează un corp comun denumit cap de sudare.

Varianta se aplică cu succes la realizarea cusăturilor circulare la conductele de înaltă presiune, la realizarea recipienților sub presiune, la rezervoarele de depozitare , la construcția recipientelor pentru industria alimentară.

Față de varianta clasică ,placarea WIG cu sarmă caldă prezinta urmatoarele avantaje:

– rata de depunere mare;

Fig.2.12. Rata de depunere. Gd-gradul de depunere.

– se pot realiza suduri de încarcare când materialul de bază este diferit de materialul de adaos.

– poate înlocui cu rezultate bune celelalte procedee in special la sudarea țevilor.

-prezintă totuși un cost foarte ridicat.

Fig. 2.8 Încărcare WIG automat cu sârmă caldă [26]

Fig. 2.9 Încărcare WIG automat cu sârmă caldă [26]

Alte tipuri de încărcare prin sudare

Fig.2.10 Încărcare cu plasmă (PTA) [26]

Fig.2.11 Încărcare cu Mig-Mag[26]

Fig.2.12 Încărcare cu laser [26]

Fig.2.13 Încărcare sub strat de flux [26]