Proiectarea Tehnologiei de Sudare a Conectorilor din Structura de Rezistenta a Unei Cladiri

Cuprins

“Sudarea este un procedeu tehnologic de îmbinare nedemontabilă a două sau mai multe piese, realizată printr-un procedeu oarecare de sudare, în așa fel încât să se obțină o legătură metalică de egală rezistență, care să prezinte siguranță în execuție și exploatare.”

Construirea pieselor sudate reprezintă o soluție viabilă deoarece asigură o rezistență sporită față de restul metodelor de îmbinare, rapiditate de execuție, siguranță în funcționare, o bună fiabilitate și nu în ultimul rând costuri de fabricare reduse.

În ultima perioadă sudarea pieselor sau al ansamblelor este utilizată tot mai des ca metodă de îmbinare pretându-se pe nu număr de materiale din ce în ce mai mare, dezvoltare ce are loc ca urmare a cerințelor moderne din industria constructoare de mașini unde, o mare parte din îmbinări se executa prin sudare, din industria chimică și petrochimică unde îmbinarea trebuie să aibă o etanșietate de 100% sau a cerințelor igienico-sanitare din industriile alimentară sau farmaceutică. Performanțele deosebite obținute prin pocedeele de sudare folosite în tehnica modernă a zilelor noastre oferă posibilitatea obținerii unor produse la standarde de înaltă calitate, realizate într-un interval de toleranțe scăzute sau cu diferite gabarite, de la cele gigantice, pâna la cele miniaturale, în urma studierii comportării materialelor la sudare și pe baza posibilității de a utiliza materiale de adaos adecvate ce se află în strânsă legătură cu tipul materialului sudat și cu natura pieselor sau al ansamblelor realizate.

Rezultatele bune obținute în creșterea eficienței tehnologiei de sudare au fost obținute nu doar datorita materialului de sudat și al celui de adaos ci și datorită evoluției echipamentelor de sudare care au devenit mecanizate și automatizate și nu în ultimul rând datorită robotizării și al liniilor tehnologice.

Cei mai importanți factori care au influențat utilizarea pe scara tot mai larga a îmbinarilor prin sudare sunt următorii :

realizarea îmbinărilor sudate cu aceleași caracteristici fizico-mecanice ca și cele ale materialului sudat

o reducere însemnată a materialului utilizat de până la 30 – 50%

reducerea cantității de muncă

fabricarea unor piese sau ansambluri ce prezintă o rezistență superioară celorlalte îmbinări

închidere cu etanșeitate totală a îmbinarilor sudate cum ar fi cele cerute în instalațiile de lichide, instalațiile de aer sau instalațiile de abur

scăderea costului de producție

formă rațională, adaptată solicitărilor

asigurarea unor ansambluri suple și ușoare

satisfacerea celor mai ridicate cerințe tehnologice

efectuarea îmbinărilor automatizat cu roboți de sudură

dimensiuni și complexitate nelimitate

rebuturile sunt remediabile

productivitate sporită

Principalele dezavantaje la construcția îmbinărilor sudate sunt următoarele:

pot exista defecte greu de identificat

pot apărea tensiuni și deformații provocate de sudarea pieselor

pot să apară modificări locale a diferitelor proprietăți ale metalului de bază

calitatea sudurii este în directă măsură de calificarea sudorului

În consecință se poate afirma cu certitudine că o caracteristică distinctă și importantă a dezvoltării științei și tehnicii în ceea ce privește tehnologia de fabricație a confecțiilor metalice o are sudura care este menită să asigure realizarea unor produse de înalt nivel tehnic în condiții adaptate timpurilor moderne care impun productivitate ridicată și costuri scazute.

Tehnologia privind îmbinarea prin sudare este într-o continua dezvoltare, fapt datorat și implicării directe în industria constructoare de mașini-unelte modernă unde ocupă un loc de frunte datorită avantajelor pe care le oferă în construcția unor produse de înaltă complexitate.

Capitolul 1

Noțiuni generale privind tehnologiile de sudare

Sudarea reprezintă un procedeu tehnologic de fabricare a îmbinărilor nedemontabile a unor piese sau ansamble metalice sau nemetalice prin interacțiunea atomilor mărginași ale componentelor de sudat. Îmbinarea formata după efectuarea procesului de sudare se numește sudură, iar totalitatea operațiilor ce trebuie efectuate pentru realizarea sudurii poartă numele de proces tehnologic de sudare.

În vremurile contemporane nouă termenul de sudare nu mai este folosit strict la imbinarea materialelor metalice ci este utilizată și la îmbinările de materiale nemetalice sau la îmbinările materialelor metalice cu cele nemetalice.

Sudarea are loc în urma activării suprafețelor de îmbinat fie în prezența, fie în absența unui material de adaos. Activarea straturilor superficiale de atomi este asigurată de un aport energetic controlat.

În teorie ar fi suficient să fie suprapuse două suprafețe pentru a se forma legăturile dintre atomi. De fapt, sudarea în spațiul cosmic a confirmat această teorie potrivit căreia vidul aflat în Cosmos ofera pieselor metalice posibilitatea sudării lor prin simpla suprapunere a doua piese.

Din punct de vedere științific acest fapt este posibil datorită atomilor mărginași nesaturați care nu au efectuate toate legăturile cu ceilalți atomi aflându-se la un nivel energetic ușor deasupra minimului, iar prin apropiere iși vor forma rețele cristaline comune componentelor și în consecință își vor satura legăturile.

Acest procedeu de sudare nu poate fi utilizat în atmosfera terestră deoarece atomii mărginași care sunt nesaturați își efectuează legăturile lipsă cu atomi de aer. În atmosfera terestră suprafețele metalice conțin impurități ce se interpun între atomii metalici facând imposibilă interacțiunea dintre atomii mărginași a două piese chiar daca sunt puse în contact.

Toate tehnologiile de îmbinare prin sudare impun îndepărtarea și divizarea stratului superficial, impunându-se astfel o pregătire a suprafețelor precum și asigurarea unei modalități de reducere sau chiar de evitare a impurificării pe durata întregului proces de sudare.

Pregatirea suprafețelor ce urmează a fi sudate variază în funcție de materialul de îmbinat și procedeul ales pentru curațire care poate varia de la ștergerea materialului până la o etapă tehnologică care include o suită de operații. Chiar daca curățarea materialului este efectuată cu aparatură și condiții optime efectul ei este unul limitat în timp și adeseori procesul tehnologic de curațire urmărește doar întreruperea continuității stratului.

În figura de mai jos este prezentată geometriea unei suprafețe și structura stratului superficial.

Fig. 1. Structura suprafeței și a stratului absorbit

1. Structura materialului sau grăunți

2. Microasperități și microfisuri

3. Stratul de oxizi aflat și în fisuri

4. Stratul absorbit compus din apă și oxigen

5. Molecule de apă

6. Grăsimi și alte uleiuri

7. Praf și alte impurități

Legătură internă strânsă a atomilor realizată în urma sudării are loc cu un aport energetic controlat și poate fi vorba despre energie mecanică, energie termică sau combinate energia termică cu cea mecanică ce acționează împreuna. În urma eliberării acestor energii atomii mărginași ai pieselor sudate primesc energia necesară scoaterii lor din starea de echilibru stabil corespunzătoare unui nivel energetic minim, dupa care piesele își mută atomii marginali la distanțe egale sau mai mici decât parametrul rețelei cristaline. În aceast moment atomii se rearanjează în cristale comune celor două piese astfel încât să atingă din nou un minim energetic.

”Procesul de sudare constă în introducerea localizată, prin concentrare în timp și spațiu, a unei cantități de energie în zona sudurii pentru a scoate atomii din starea lor de echilibru stabil și apropierea atomilor mărginași la distanțe egale sau mai mici decât parametrul rețelei cristaline pentru ca ei să recristalizeze într-o rețea comună corespunzătoare unei noi stări stabile.”

Fig. 2. Mecanismul energetic

Sudura realizată se mai numește cusătură sau cordon de sudură. Materialul de bază aflat în jurul sudurii ce nu a ajuns în stare de topire, dar datorită sudării a suferit transformări structurale, formează o zona influențată termic. Cordonul de sudură alături de zonele influențate termic și marginile învecinate acestora formează îmbinarea sudată a pieselor.

În cazul sudării pieselor metalice metalul sau aliajul supus operației de îmbinare prin sudare poartă numele de metal de bază. Metalul adaos sau aliajul folosit la sudare poartă numele de metal de adaos și poate fi sub formă de sârme sau granule care se vor topi în timpul procesului de sudare. Metalul ce se depune este materialul acumulat în urma topirii metalului de adaos, care are un rol covârșitor la formarea cusăturii.

Cusătura reprezintă sudura de îmbinare de-a lungul pieselor sudate care se obține în urma solidificării materialului de bază și al materialului de adaos.

În cazul utilizării tehnologiilor de sudare prin topire, sudura se formează prin topirea și depunerea metalului de adaos, iar în cazul utilizării tehnologiilor de sudare prin presiune sudura se formează în general, doar din materialul de bază.

Capitolul 2

Comportarea la sudare a metalelor și aliajelor

Comportarea metalelor și al aliajelor la sudare se mai numește și sudabilitatea. Sudabilitatea reprezintă o noțiune definită în urma analizării unui ansamblu de factori cum sunt cei: tehnologici, constructivi și de exploatare, cu ajutorul cărora se apreciază capacitatea metalului sau al aliajului de a fi sudate în condiții calitative bune și costuri rezonabile. Sudabilitatea se deosebește de la un grup de materiale la altul, sau poate fi diferită chiar și în cadrul aceluiași grup de materiale. De exemplu: sudabilitatea fontelor este mai slaba decât sudabilitatea oțelurilor, pe când sudabilitatea metalelor și aliajelor neferoase este mai mai slabă decât sudabilitatea fontelor.

Comportarea la sudare a metalelor și al aliajelor este direct influențată de metalul de bază, de tipul tehnologic ales și nu în ultimul rând de concepția constructivă a structurii sudate.

sudabilitatea metalurgică indică reacția metalului de sudat la acțiunea câmpului termic specific procedeului de sudare aplicat, care este influențat de: compoziția chimică, de structura metalografică și de însușirile sale fizice.

sudabilitatea constructivă este determinată de proprietatea materialului de bază de a forma o structură sudată ce funcționează corespunzător în condiții date de exploatare.

sudabilitatea tehnologică reprezintă capacitatea materialelor de a forma îmbinări sudate cu proprietăți de rezistență comparabile cu ale materialului de sudat, fără să apară defecte o reducere a plasticității.

Cea mai bună sudabilitate este obținută în cazul oțelurilor-carbon, însă și în interiorul acestui grup de oțeluri sudabilitatea diferă și este determinată de standardele fiecarui tip de oțel, diferențiindu-se după cum urmează în tabelul de mai jos.

Tabelul 1. Sudabilitatea oțelurilor-carbon

În cazul oțelurilor nealiate sudabilitatea scade odată cu creșterea conținutului de carbon al oțelului, admițându-se doar folosirea unor oțeluri cu un conținut de carbon mai mic de 0,25%.

În cazul oțelurilor slab aliate sudabilitatea poate fi determinată analitic cu ajutorul relației carbonului echivalent:

Cech=C+Mn/6+Cr/5+V/5+Mo/5+Cu/15+Ni/15 [%].

Sudabilitatea este bună dacă: Cech ≤ 0,45 %

În cazul oțelurilor carbon și slab aliate cu grosime mai mare de 20 mm sudabilitatea se apreciază prin încercarea la îndoire a unei eprubete plate ce este prevazută cu un canal longitudinal pe care s-a efectuat un cordon de sudura în vederea determinării apariției primei fisuri.

Oțelurile aliate au o sudabilitate scăzută față de oțelurile carbon datorită prezenței a unor elemente de aliere ce reduc sudabilitatea. Influența metalelor de aliere se ia în considerație prin calculul oricărei cantități convenționale de carbon în oțeluri aliate cu unele formule stabilite pe cale experimentală. De exemplu: pentru un oarecare oțel aliat poate fi utilizată următoarea formulă :

Comportarea la sudare a fontelor este una greoaie deoarece poate fi efectuată doar în urma unei preîncălziri la temperaturi cuprinse între 600 – 650 0C, urmată de răcire lentă pentru a nu se forma structuri dure.

Comportamentul negativ al fontelor la sudare se datorează următoarelor motive:

dacă piesa sudată este răcită rapid în sudura se va forma fonta alba care este dură și fragilă

în urma efectuării sudurii vor apărea încălziri locale ce vor provoaca tensiuni interne mari care la rândul lor vor determina apariția fisurilor

absorbția mare de gaze din baia de metal topit duce la apariția porilor

datorită fluidității mari a fontelor vor exista scurgeri intense de metal din sudură

Inconvenientele apărute la sudarea fontei pot fi compensate prin următoarele metode:

prin preîncălzirea pieselor

prin aplicarea unor tratamente termice după sudare

prin utilizarea unor tehnologii adecvate pentru sudarea pieselor

prin folosirea unor materiale de adaos potrivit, cum ar fi, de exemplu, electrozii din oțel slab aliat.

Sudarea cuprului poate fi efectuată doar în condiții speciale datorită următoarelor dezavantaje:

conductivității termice foarte ridicate ce are drept efect împrăștierea rapidă a căldurii în componentele de sudat

coeficientului mare de dilatare liniară ce produce tensiuni și deformații

faptul că este absorbit oxigenul în timpul sudării apar fisuri și pori

datorită faptului că la limita grăunților se formează un amestec de Cu+Cu2O cu o temperatură de topire diferită de cea a materialului de bază ceea ce produce fragilizarea îmbinării și fisuri

datorită difuziei hidrogenului în metalul încălzit se produc pori și fisuri

Inconvenientele apărute la sudarea cuprului pot fi compensate prin următoarele metode:

preîncalzirea până în jurul temperaturii de topire 550 – 600 0C

sudarea cu diverse surse termice foarte concentrate

utilizarea unor tehnologii care să ofere posibilitatea de contracție și dilatare liberă a componentelor

protejarea băii de metal topit prin folosirea fluxurilor în mediu de gaz protector

reducerea cantității de oxigen dizolvat în baia de metal prin protejarea metalului lichid cu zgură sau gaze inerte

dezoxidarea cuprului lichid cu dezoxidanți: P, Mn, Si, Zn, Al

umiditatate cât mai scăzută în fluxuri și în învelișul electrozilor

izolarea zonei sudate pentru a micșora pierderile de căldură

Sudabilitatea aliajelor formate din cupru-zinc sau cunoscute și sub denumirea de alame este una greoaie din cauza ardereii zincului, care se vaporizează sub formă de oxid de zinc conform reacției de mai jos:

2 Zn + O2 2ZnO

Sudarea alamei poate fi efectuată doar în condiții speciale datorită următoarelor dezavantaje:

zincul ars duce la formarea porilor în cusătura și diminuarea proprietăților mecanice

vaporizarea zincului produce un nor de zinc nociv, fapt ce impune măsuri speciale de ventilație

apar fisuri de cristalizare în cusătură datorită deformațiilor și solicitărilor termice apărute în timpul sudării

Inconvenientele apărute la sudarea alamei pot fi compensate prin următoarele metode:

utilizarea fluxurilor

utilizarea elementelor dezoxidante: Al, Si, Mn, Ni

sudarea se efectuează la viteză mare și se efectuează o preîncalzirie la 200 – 300 °C

daca se sudează cu flacară, aceasta trebuie să fie una oxidantă ( K= 1,3 – 1,5 ) iar după sudare nu se aplică tratament termic

Sudabilitatea diferitelor aliaje ale cuprului cu: staniu, plumb, aluminiu, beriliu, siliciu sau nichel cunoscute și sub denumirea de bronzuri sunt în directă legatură cu compoziția chimică.

la sudarea bronzurilor cu staniu apare pericolul apariției de tensiuni și fisuri generate de conductivitatea termica mare, iar dacă staniul este în exces, se topește ușor fapt ce scade rezistența materialului. Pentru eliminarea acestor incoveniente se aplică o preîncalzire la 500-600 °C urmată de o răcire lentă

la sudarea bronzurilor cu aluminiu se impune eliminarea peliculei de oxid de aluminiu care are o temperatură de topire și o greutate specifică mai mare și care se depune în partea inferioară a băii de sudură

sudabilitate bronzurilor cu siliciu este una destul de bună

sudabilitate bronzurilor cu nichel este una greoaie dacă nichelul depășește 16%, deoarece oxidul de nichel e greu fuzibil

Sudabilitatea aluminiului și al aliajelor sale întâmpina adeseori următoarele dezavantaje:

se formează o peliculă din oxid de aluminiu care se topește la o temperatură mult mai mare decât cea a aluminiului

oxidul de aluminiu este insolubil în metalul de bază

densitatea oxidului de aluminiu este mai mare decât cea a aluminiului lichid, motiv pentru care pelicula de oxid se depune în partea inferioară a băii

pelicula din oxid de aluminiu duce la scăderea caracteristicilor mecanice ale îmbinării

existența impurităților în baia de oxid de aluminiu favorizează apariția porilor de hidrogen dizolvat în baie

apariția modificărilor structurale din zona influențată termomecanic

structura grosolană duce la diminuarea rezistenței metalului topit și la apariția fisurilor

Inconvenientele apărute la sudarea aluminiului și al aliajelor sale pot fi compensate prin următoarele metode:

curățarea mecanică a peliculei de oxid de aluminiu înainte de sudare cât și pe durata sudării

curățarea pieselor supuse îmbinarii de impurități și limitarea umidității

utilizarea unei tehnologii de sudare care să scadă impuritățile și umiditatea

aplicarea unor tratamente termice

pentru îmbunătățirea caracteristicilor fizico-mecanice se produc diferite aliaje, cum sunt : Al-Si-Cu, Al-Si-Cu-Mn, Al-Mg-Zn și Al-Cu-Mg.

Testarea sudabilității metalelor se poate face utilizând diferite metodologii care scot în evidență comportarea metalelor și a aliajelor la procesul sudării, dintre acestea de o importanță deosebită se bucură următoarele:

verificarea rezistenței metalului la cald la fisurare

verificarea rezistenței metalului din zona influențată termic la apariția crăpăturilor la rece

verificarea rezistenței metalului de bază în zona influențată termic, a cordonului de sudură și a îmbinării în ansamblu la apariția fenomenului de fragilizare

verificarea și punerea în evidență a rezistenței în condițiile de exploatare, pentru metalul de bază, zona influențată termic

verificarea rezistenței la coroziune

verificarea proprietăților mecanice la diferite temperaturi

verificarea rezistenței la uzură

verificarea rezistenței tensiunilor interne, ce se acumulează în cordon datorită contracției termice la răcirea metalului topit

verificarea compoziției chimice a băii de metal topit care poate influența plasticitatea cordonului de sudură

Capitolul 3

Elementele îmbinărilor sudate

Toate îmbinările sudate prezintă o serie de elemente caracteristice, ce sunt definite în funcție de tipul materialelor, de elementele geometrice ale îmbinărilor sau de forma mărginilor materialelor ce urmează a fi îmbinate.

Metalul aflat în zona îmbinării ce aparține pieselor de sudat poartă numele de metal de bază, iar cel din afară, ce poate fi adăugat între suprafețele îmbinate poartă numele de metal de adaos.

Spațiul aflat între materialele de sudat, în cazul îmbinărilor realizate prin sudare cu topire, se numește rostul îmbinarii sudate, rost ce se alege în funcție de grosimea piesei de bază și în funcție de pozitia de sudare. Zona din imediata vecinătate a cusăturii este o zonă în care se produc modificări structurale datorită încălzirii pieselor de sudat peste o anumită temperatură. Această zonă se numește zonă influențată termic (ZIT).

Fig. 3. Elementele caracteristice sudări prin topire

l – lățimea sudurii

H – înălțimea sudurii

h – supraînalțarea sudurii

p – pătrunderea sudurii

b – deschiderea rostului

c – înălțimea rădăcinii rostului

α – unghiul de deschidere a rostului

ZIT – zonă influențată termic

La sudarea în stare solidă îmbinarea se realizează fără încălzirea componentelor și fără material de adaos, folosindu-se doar o forță continuă de refulare cu ajutorul căreia se dezvoltă adeziunea atomică și difuzia la nivel atomic. Cea mai importantă cerință la realizarea acestui tip de îmbinare este existența unui grad minim de deformare a pieselor ce urmează a fi sudate, grad de deformare ce diferă de la un material la altul. Îmbinarea în stare solidă produce o bavură a sudurii ce necesită îndepărtată ulterior.

Capitolul 4

Clasificarea procedeelor de sudare

Clasificarea procedeelor de sudare poate fi efectuată în funcție de tipul energiei utilizate în vederea activării atomice superficiale, tipul energiei utilizat depinde de parametrii termodinamici, temperatură și presiune. Procedeele de sudare ce utilizează presiunea și când se cere temperaturi mai mici decât cea de topire a materialului sudat poartă numele de procedee de sudare în stare solidă, pe când procedeele ce utilizează temperaturi superioare celei de topire a materialului sudat poartă numele de procedee de sudare prin topire.

Fig. 4. Procedee de sudare în funcție de tipul energiei utilizate

După cum se poate observa și în figura de mai sus odată cu creșterea temperaturii scade presiunea necesară formării legăturilor atomice, însă se poate observa că necesarul de energie este mereu în echilibru, adică la scăderea energiei termice crește valoarea presiunii și invers odată cu scăderea presiunii crește necesarul de energie termică. În funcție de cantitatea energiei termice utilizate la procesul de sudare acesta poate fi:

sudare mecanică atunci când temperatura utilizată este sub temperatura de recristalizare (Trec), procedeu de sudare denumit și sudare la rece

sudare termomecanică atunci când temperatura utilizată este temperatura de recristalizare (Trec) și cea de topire (Ttop); procedeu de sudare denumit și sudare în stare solidă la cald

sudare termică atunci când temperatura utilizată este peste temperatura de topire (Ttop) procedeu de sudare denumit și sudare prin topire

Procedeele de sudare au fost clasificate și de SR ISO 4063:1992 în cinci categorii mari în funcție de starea materialelor ce sunt folosite la formarea sudurilor, în funcție de natura procedeelor de sudare și în funcție de felul procedeelor conexe:

sudarea prin topire, în cadrul acestui procedeu se folosește o sursă de căldură care topește marginile rosturilor metalului de bază și metalul adaos și care împreună alcătuiesc baia de sudură, care se racește încet și prin cristalizare formează cusătura sudată

Fig. 5. Procedee de sudare prin topire

sudarea în stare solidă este un procedeu care folosește la îmbinare presiune ce se realizează în stare solidă, fără metal adaos, cu sau fără încălzire și poate fi efectuată cu următoarele tipuri de energie:

cu energie electrică

cu energie chimică

cu energie mecanică

Fig. 6. Procedee de sudare în stare solidă

procedee de lipire a metalelor, acest tip de îmbinare poate fi efectuat prin cositorire care mai poartă și numele de lipire moale sau prin brazare care mai poartă și numele de lipire tare, aceste tipuri de lipiri pot fi efectuate utilizând următoarele tipuri de energie

cu energie electrică

cu energie chimică

cu energie mecanică

Fig. 7. Procedee de lipire a metalelor

procedee conexe ce presupun prelucrarea la cald a metalelor și care utilizează tehnici proprii diferitelor metode de sudare, însă fără a se realiza îmbinări sudate ci doar tăieri, metalizari, suduri de încărcare, etc.

Fig. 8. Procedee conexe

sudare ce utilizează procedee speciale de sudare

O alta clasificare a procedeelor de sudare se bazează pe energia utilizată pentru încălzirea materialelor:

sudare cu energie electrică

sudare cu arc electric

sudare cu plasmă

sudare cu fascicul de electroni

sudare prin rezistență electrică

sudare cu curenți de înaltă frecvență

sudare cu laser

sudare cu energie mecanică

sudare cu flacără oxi-acetilenică

sudare alumino-termic

sudare cu foc de forjă

sudare prin explozie

sudare cu energie chimică

sudare prin frecare

sudare prin percuție

sudare cu ultrasunete

sudare prin presiune la rece

Capitolul 5

Procedee de sudare

Sudarea cu flacără

Acest tip de îmbinare este unul dintre cele mai vechi procedee de sudare folosite pe scară largă, însă este un procedeu scump, neproductiv, iar calitatea îmbinării nu mai corespunde procedeelor folosite în zilele noastre. Cu toate acestea acest tip de sudare mai este utilizat și în zilele noastre datorită faptului că sudarea se realizează cu ajutorul unei surse concentrate de căldură, ușor de reglat, cu o temperatură și densitate de putere mai redusă decât cea a arcului fapt ce duce la ușoara utilizare la lucrările de reparații efectuate pe șantiere sau la sudarea tablelor cu grosimi mici cuprinse între 0,5 și1,5 milimetri.

Fig. 9. Schema sudării cu flacără

flacără

marerial de adaos

suflai

flacără primară

flacără secundară

baie lichidă

Principala sursă termică ce topește materialul de adaos și materialul supus este flacăra de gaze, oxi-acetilenică sau oxi-gaz. Procedeul de sudare este unul simplu: flacăra topește metalul de adaos și marginile pieselor ce urmează a fi sudate rezultând astfel cordonul de sudură.

Sudarea cu arc electric și electrozi înveliți

Acest tip de îmbinare este frecvent utilizat deoarece folosește echipamente simple, ieftine, fiabile fiind un procedeu flexibil ce poate fi utilizat în orice condiții de mediu. Principalul dezavantaj îl reprezintă factorul uman deoarece calitatea sudurii depinde de calificarea acestuia și de alegerea materialului de adaos deoarece unele materiale cer condiții speciale de păstrare și lucru.

Acest procedeu este utilizat la fabricarea produselor unicat sau în serie mică.

Fig. 10. Schema sudării manuale cu electrod învelit

1 – piesa de bază

2 – vergea metalică

3 – învelișul electrodului

4 – sursă de curent

5 – arcul electric

6 – atmosferă protectoare apărută după arderea învelișului electrodului

7 – picături de metal

La îmbinarea cu arc electric cu electrod învelit arcul se formează între vergeaua metalică, electrodul învelit care este fuzibil și piesa de bază. După aprinderea arcului avansul cusăturii este manual, iar pe măsură avansării acesta se consumă. Temperatura ridicată rezultată în urma aprinderii electrodului și formării arcului electric generează topirea atât al materialului de bază cât și al vârfului electrodului, fapt ce asigură transportul metalului topit din electrod și depunerea pe metalul sudat.

Sudarea cu arc electric sub strat de flux

Acest tip de îmbinare sudată este una superioară atât din punct de vedere calitativ cât și productive asigurând o pătrundere mare în metalul de bază, putându-se suda piese cu grosimi mari doar dintr-o singură trecere.

Dezavanajele acestui procedeu de sudare sunt date de poziția de lucru care poate fi pe orizontală sau ușor înclinată, putându-se suda calitativ doar cordoane drepte și circulare cu diametrul relativ mare și cu lungimi de peste un metru, pe cusătura se adună zgura ce trebuie curățată și nu în ultimul rând se cere o atenție sporită la curățarea rostului.

Arcul și baia de sudură sunt protejate de acțiunea factorilor externi de o pulbere denumită flux ce reacționează la temperaturi înalte formând un tampon între factorii externi și piesa de sudat. Acesta se depune pe piesa de bază pe o grosime cuprinsă între 30 – 50 mm.

Fig. 11. Schema sudării cu arc electric sub strat de flux

piesa de bază

sârmă de sudat

strat de flux

atmosferă gazoasă

baie lichidă

metal în proces de solidificare

zgură în proces de solidificare

îmbinarea finală

zgură solidificată

patina contact curent

role de antrenare

sursă de curent

Realizarea propriu-zisă a cusăturii este optimă când mișcarea de deplasare a ansamblului de lucru este automată, existând și posibilittea mișcării semimecanizate. Odată ce arcul electric a fost amorsat o parte a fluxului se aprinde și formează o atmosferă de gaze controlată de compoziția chimică a fluxului, iar o a doua parte din flux se topește formând zgura lichidă.

Sudarea sub strat de flux poate fi cu o singură sârmă electrod, cu două sau uneori se folosesc procedee de sudare cu mai multe sârme electrod. Sudarea cu două sau mai multe sârme se poate efectua cu arce independente, cu arce gemene sau cu arce înseriate, putând fi realizată în aceiași baie sau în băi separate, depinzând de modul în care materialul de adaos provenit din arcul electric, trece în material depus, solidificându-se.

Sudarea în mediu de gaz protector

Acest procedeu de sudare cunoscut și sub denumirea de sudare MIG/MAG face parte din grupa procedeelor de sudare prin topire cu formarea arcului electric într-un mediu de gaze protectoare. Acest procedeu este diferit în funcție de proprietățile atmosferei create de gazul protector, distingându-se două metode de sudare:

sudarea MIG (Metal Inert Gas) este realizata când sunt folosite gazele inerte

sudarea MAG (Metal Active Gas) este realizata când sunt folosite gazele active chimic

Varianta MIG este recomandată la îmbinarea prin sudare a oțelurilor aliate și a metalelor neferoase, iar varianta MAG este recomandată cu precădere la îmbinarea prin sudare a oțelurilor carbon și slab aliate.

În funcție de tipul electrodului sudarea MIG/MAG se divide în două subgrupe mari:

¾ procedee de sudare cu electrod fuzibil

¾ procedee de sudare cu electrod nefuzibil (WIG- wolfram-inert gas)

Principalele avantaje ale acestui procedeu sunt: productivitate ridicată, posibilitate de mecanizare, automatizare sau de robotizare a procedeului, posibilitatea antrenării mecanizate a sârmei electrod, ușurința reglării și controlului parametrilor tehnologici de sudare, de gabaritul relativ mic al capului de sudare, grad înalt de universalitate a procedeului, posibilitatea sudării în orice poziție, zgură în cantitate redusă și nu în ultimul rând un grad înalt de utilizare a materialului de adaos de aproximativ 90 – 95%.

Dezavantajele sunt date de costurile mai ridicate a echipamentelor de sudare, de o limitare a distanței față de sursa de sudare, pierderi de material de adaos prin stropi (5- 10%), sensibilitate crescută la curenți de aer, probabilitatea relativ mare de apariție a defectelor în suduri, în principal pori și o lipsă de topire.

Gazele inerte utilizate pentru protejarea arcului electric și al băii sunt gazele heliu și argon, însă mai adesea întâlnit este argonul datorita costului mai redus și a densități mai mari. În rețete din fabrică se folosesc volume de dioxid de carbon, hidrogen și oxigen.

La acest procedeu o importanța covârșitoare este data de alegerea corectă a atmosferei protectoare, acesta fiind un factor critic asupra aspectului, al calității și a proprietăților mecanice ale cusăturii sudate.

Proprietățile cele mai importante ale atmosferei de protecție sunt urmatoarele:

conductivitatea termică

potențialul de ionizare

activitatea chimică față de baia de sudare

Fig. 12. Schema metodelor de sudare cu gaze protectoare

piesa de bază

electrod de wolfram (electrod nefuzibil)

metal de adaos (vergea)

metal de adaos (electrod fuzibil)

corp pistolet de sudare

atmosferă protectoare

La acest procedeu sârma de sudură este derulată de pe un tambur sub formă de colac și împinsă spre pistolul de sudare folosindu-se niște dispozitive cu role striate ce sunt antrenate mecanic, după care, cu ajutorul pistolului, se crează arcul electric și se însuflă gazul protector asupra băii de sudare. În cazul acestui procedeu se deosebesc trei variante de sudare:

sudarea cu arc scurt, în cazul căreia apar scurtcircuitări repetate ale arcului electric de aproximativ 20 – 120 ori pe secundă datorate valorilor mai mici ale tensiunii și a intensității curentului de sudare

sudarea cu pulverizare fină, în cazul căreia apar valori mari ai tensiunii și intensității curentului, ceea ce favorizează un bun transfer prin pluverizare a picăturilor fine formate din metalului adaos, ceea ce contribuie la îmbunătățirea calității cusăturii

sudarea cu arc electric pulsat, în cazul căreia apar variații periodice ale tensiunii și a curentului de sudare, fapt ce asigură trecerea fină a metalului de adaos de la sârma de sudură la metalul de bază

Sudarea cu plasmă

Acesta este un procedeu de sudare prin topire unde are loc o încălzire cu un arc electric constrâns, ce dezvoltă arcul electric între electrod și materialul de sudat sau între electrod și o duză de constrângere. Protejarea arcului electric și al băii poate fi asigurată de un gaz inert sau de un amestec de gaze, iar sudarea propriu-zisă poate fi efectuată cu sau fără material de adaos.

Avantajele acestui procedeu constau în stabilitatea și elasticitatea plasmei, care reprezintă o sursă termică concentrată, asigurând o concentrare mai mare de energiei, oferă o variație maximă a distanței dintre pistolet și piesă, fără pierderi termice sau de stabilitate, se obțin temperaturi ridicate și în consecință și o topire mai rapidă a materialelor de sudat și o pătrundere mai mare. Ca și dezavantaje pot fi amintite costurile ridicate de întreținere și cumpărare a utilajelor.

Fig. 13. Schema metodelor de sudare cu plasma

pulbere intermatricială

gaz plasmagen

pulbere de compoziție

apa de răcire

gaz de protecție

material de adaos pentru matricea de bază

matricea de bază

pulbere intermatricială

Sudarea cu plasmă poate fi efectuată utilizând două tehnici: prin topire progresivă folosită la îmbinarea tablelor mai subțiri de 3 mm și prin jet penetrant, denumită și tehnica găurii de cheie ce se folosește la table între 3 și 15 mm.

La sudarea prin topire progresivă cusătura se realizează prin avansul progresiv al băii de metal topit prin grosimea piesei, utilizându-se o intensitate redusă a curentului, și un debit redus de gaze.

Sudarea cu laser

Acest procedeu de sudare este unul costisitor utilizat îndeosebi la sudarea aliajelor speciale sau a lucrărilor unde este cerută o mare precizie și finețe. La sudarea cu laser încălzirea se execută instantaneu cu o dozare precisă a energiei, care este obținută în urma concentrării a unui fascicul laser cu ajutorul unor lentile optice și trimis la suprafața de separație a celor două materiale de sudat.

Fig. 14. Schema metodelor de sudare cu laser

fascicul laser

lentila de focalizare

gaz sub presiune

verificarea presiunii gazului

capac glisant

presiune de aer

Avantajele acestei tehnologii de sudare sunt: influențarea în mică măsură a zonelor învecinate sudurii deoarece timpul expunerii este foarte mic și zona precis delimitată, se pot executa suduri în incinte închise, prin prevederea unor ferestre prin care se focalizează fasciculul laser, deformările mecanice sunt mici sau inexistente datorită faptului că nu există piese de fixare sau de contact electric, sudurile sunt foarte fine, sudura cu laser poate fi ușor supusă automatizării prelucrării.

Dezavantajul major al acestei tehnologii constă în faptul că concentrarea mare de putere necesară la efectuarea sudării este formată dintr-un fascicul laser care este reflectat de majoritatea metalelor și poblema devine mai agravantă datorită faptului că majoritatea tipurilor industriale cu laser emit lumina infraroșie, pe care metalele o reflectă chiar mai bine decât lumina vizibilă

Sudarea prin presiune și rezistență electrică

Acest tip de îmbinare sudată este efectuată cu ajutorul presiunii și al rezistenței electrice, bazându-se pe o încălzire locală până la o anumită temperatură realizată cu o rezistență electrică, urmată de aplicarea unei forțe de deformare plastică la cald și recristalizare.

Sudarea prin presiune și rezistență electrică se face fără metal de adaos și dintr-o singură operație, dar se desfășoară în trei faze: preîncălzirea, refularea și recristalizarea.

Fig. 15. Schema sudării prin presiune și rezistență electrică

bacuri de prindere

piese de sudat

forța de refulare

forța de strângere

sursa energie electrică

la acest procedeu este necesară preîncălzirea pentru deformarea piesei de bază, valoarea temperaturii de preîncălzire fluctuează în funcție de compoziția chimică a metalului de bază

refularea este etapa de îmbinare propriu-zisă a pieselor ce urmează să fie sudate asigurându-se astfel înterpătrundere a atomilor marginali de pe suprafețele în contact, în urma aplicării forței de refulare

recristalizarea are loc odată cu răcirea pieselor sudate, de la temperaturile de preîncălzire și sudare, pâna la temperaturile de recristalizare, se dezvoltă o nouă rețea cristalină fină, procesul de răcire se face de obicei cu piesele prinse între bacuri sub acțiunea forței de refulare.

Sudarea conectorilor gujoanelor sau al bolțuri

Sudarea conectorilor gujoanelor sau al bolțurilor se efectuează cu ajutorul arcului electric ce este amorsat între bolț și piesă, sudarea propriu-zisă se realizează prin topirea zonei de contact dintre piese urmată de imbinarea prin presare. În timp au apărut diferite procedee de sudare a conectorilor, însă diferă doar prin modul de amorsare a arcului electric și prin natura sursei de curent, astfel, la sudarea cu ajutorul curentului continu amorsarea are loc prin ridicare, pe când la sudarea conectorilor cu baterie de condesatoare amorsarea se face printr-un vârf fuzibil.

O clasificare efectuată pe tipul de protectie al băii de sudură deosebește următoarele tipuri de suduri:

sudare conectorilor cu inel ceramic, acest inel este un consumabil și se înlătură la finalizarea operațiunii;

sudare conectorilor în mediu protector de gaz, la sudarea oțelurilor se folosește un asmestec de gaze compus din 82% Ar și 18% CO2, pe când la sudarea aluminiului se folosește doar argon în proporție de 100%.

sudare conectorilor fără protecția băii se folosește doar la sudarea conectorilor cu diametre de maxim10 mm și timpi de sudare sub 100 ms.

Mai jos sunt prezentate caracteristicile sudării cu arc electric amorsat prin ridicare.

Tabelul 2. Carateristicile de sudare a conectorilor

Conectorii, gujoanele sau bolțurile se sudează de obicei în poziție verticală, perpendicular pe suprafața piesei, datorită ușurinței în sudare, dar sudarea poate fi efectuată în toate pozițiile.

Cu toate că acest tip de îmbinare sudată prezintă un procedeu simplu se bucură de o productivitate sporită, o bună calitate, costuri reduse, o bună flexibilitate, echipamente de sudare simple și ușor de manipulat, fiind considerat în zilele noastre cel mai eficient mijloc de îmbinare a elementelor de tipul bolțurilor.

Fig. 16. Sudarea conectorilor

bucșă elastică

conector

inel ceramic

În prezent sunt cunoscute mai multe variante de sudare a conectorilor gujoanelor sau bolțurilor, procedee ce diferă prin modul de amorsare a arcului electric, prin tipul sursei de curent, prin felul în care se face amorsarea, când amorsarea poate fi efectuată cu ajutorul curentului continuu, sau cu ajutorul unui vârf fuzibil ce va juca rol de sursă energetică.

Sudarea conectorilor urmează o succesiune specificată de pași care trebuie să fie urmați în cazul execuției unei suduri, ce face referiri stricte la anumite materiale, pregătirea pieselor de sudat, metoda de sudare și controlul sudurii, tratamentul termic după efectuarea sudării precum și echipamentul necesar pentru realizarea sudării.

În prima fază bolțul ce urmează a fi sudat este fixat în bucșa elastică a pistoletului de sudare și poziționat pe suprafața piesei în locul unde trebuie sudat. În a doua fază se apasă butonul de pornire a pistoletului, moment în care curentul de sudare trece prin bolț fapt ce va duce la încălzirea vârfului acestuia, după care se ridică ușor bolțul de pe suprafața piesei fapt ce duce la amorsarea unui arc electric ce are rolul de a produce topirea vârfului bolțului și topirea locală a piesei. După topirea celor două metale se întrerupe arcul electric moment în care bolțul este împins ușor prin intermediul unui resort amplasat în capul pistoletului, în baia metalică situație ce duce la amestecarea și solidificarea băii comune rezultând astfel îmbinarea sudată.

Capitolul 6

Clasificarea îmbinărilor sudate

în funcție de poziția pieselor de sudat au fost identificate urrmătoarele tipuri de îmbinări sudate:

Fig. 17. Clasificarea îmbinărilor sudate în funcție de poziția pieselor

îmbinări sudate cap la cap

îmbinări sudate în colțul interior

îmbinări sudate în colțul exterior

îmbinări sudate în T

îmbinări sudate în cruce

îmbinări sudate prin suprapunere

îmbinări sudate în muchie

îmbinări sudate cu margini răsfrânte

în funcție de numărul de treceri

Fig. 18. Clasificarea îmbinărilor sudate în funcție de numărul de treceri

îmbinări sudate dintr-o singură trecere

îmbinări sudate din mai multe treceri

a – rând de rădăcină

b – rând de sudură

c – strat de sudură

d – strat de acoperire

în funcție de continuitatea sudurii

Fig. 19. Clasificarea îmbinărilor sudate în funcție de continuitatea sudurii

îmbinări sudate cu cusături continue;

îmbinări sudate cu cusături discontinue.

în funcție de direcția cusăturii față de direcția de solicitarea sudurii

Fig. 17. Clasificarea îmbinărilor sudate în funcție de direcția de solicitare a sudurii

îmbinări sudate cu cusături frontale

îmbinări sudate cu cusături laterale

îmbinări sudate cu cusături înclinate

Capitolul 7

Proiectarea tehnologiei de sudare a conectorilor cu arc electric amorsat prin ridicare din structura de rezistență a unei clădiri

Generalități. Domeniul de aplicare

Explozia tehnologică din ultimele decenii și-a pus amprenta și pe acest domeniu datorită necesității unor concepte și tehnologii aplicabile zilelor noastre când se cere o rezistența ridicată a construcțiilor, însă cu costuri scăzute. Astfel, s-a ajuns la dezvoltarea unor structuri mixte formate din combinarea suprafețelor betonate cu structurile din oțel, fapt ce duce la necesitatea conectorilor deoarece fără aceștia aderența betonului pe grinda metalică este scăzuta și puțin durabilă.

Sudarea conectorilor gujoanelor sau al bolțurilor utilizează o tehnologie larg răspândită și folosită la fixarea nedemontabilă a unor elemente de tipul bolțurilor, gujoanelor, șuruburilor, știfturilor, bucșelor, etc. Conectorii sunt elementele ce au rolul de a asigura legătura dintre oțel și beton și de a împiedica mișcarea celor două materiale pe suprafața lor de contact.

Principalul domeniu de aplicabilitate a sudării conectorilor este cel al construcțiilor mai exact la construcția de poduri, la construcțiile uriașe sau chiar la construcția fațadelor și a pereților. De obicei, conectorii sunt dispusi în lungul suprafeței de contact dintre placa de beton și grinda metalică realizând astfel o grindă mixtă ce poate prelua efortul de alunecare dintre suprafața betonată și grinda metalică și blochează desprinderea dalei de beton de pe grinda metalică.

Legătura dintre suprafața betonată și grinda metalică poate fi de două feluri:

legătură totală sau completă ce se realizează când numărul de conectori sudați pe grindă asigura atingerea rezistenței plastice fără a exista mișcări între placa de beton și grinda metalică

legătură parțială sau conlucrare ce se realizează atunci cănd între cele două suprafețe se pot produce unele deplasări

Procedeul privind sudarea conectorilor este caracterizat printr-o productivitate mare, o bună calitate a îmbinării, costuri de producție scăzute, utilaje de sudare simple și ușor de manipulat chiar și în spații înguste sau greu accesibile.

Echipamente de sudare

Echipamentele de sudare a bolțurilor în curent continuu cu amorsare cu arc electric prin ridicare și protecție a băii cu inel ceramic sunt compuse dintr-un generator portabil în care se găsește sursă de curent continuu cu tensiuni de lucru cuprinse între 70-100 V și un pistol de sudare sau cap de sudare în care se fixeaza port-bolțul ce prinde bolțul în vederea sudării. Circuitul de comandă al aparatului de sudură este amplasat în generator portabil, de unde poate fi reglat ciclul de sudare și durata amorsării conectorilor, durată ce poate fi cuprinsă între 20 de milisecunde până la două secunde. Circuitul de comandă constă dintr-un contactor, un dispozitiv de sincronizare și o sursă de curent continuu care furnizează curentul de sudare a cărui intensitate poate fi reglată.

Fig. 20. Schema echipamentului de sudura a conectorilor

generator portabil

pistol de sudare

piesa pe care se sudează conectorul

cablul de comandă

cablul de alimentare

cablul de control al piesei pe care se sudează conectorul

cablul de masă

clema de strângere a cablului de masă

Fig. 21. Generator portabil

Pistolul de sudare sau capul de sudare este unitatea operativă a sistemului de sudare, deoarece ea este cea care asigură atât transferul energetic cât și forța necesară realizării punerii în contact a celor două suprafețe ce urmează a fi sudate. Pistolul de sudare cu elementele componente este prezentat în figurile 22 și 23.

Fig. 22. Pistol de sudare sau cap de sudare

Fig. 23. Schema pistolului de sudură

buton de pornire

tijă de reglare a bolțului

suport de susținere

piuliță de blocare

suprafața de contact al inelului ceramic

bolț

șurub de reglare

port-bolț

sistem de ridicare

suprafață de reglaj

Conectorii (bolțuri, gujoane sau dornuri) de sudura

Bolțurile, gujoanele sau dornurile sunt niște conectori rezistenți cu cap rotund ce

permit ancorarea acestuia în placa de beton. Bolțul este format dintr-o tijă rotundă cu diametre cuprinse între 6 și 25 de mm și cu înălțimi cuprinse între 75 și 200 de mm.

Fig. 24. Tipuri de conectori

conector cu partea inferioară sunt de formă conică

conector cu partea inferioară rotunjită

conector după sudare

l1 – lungimea totală a conectorului înainte de sudare

l2 – lungimea totală a conectorului după sudare

d1 – diametrul tijei conectorului

d2 – diametrul capului conectorului

d3 – diametrul gulerului de sudare

h1 – înălțimea capului conectorului

h2 – înălțimea gulerului de sudare

Tabelul 3. Dimensiunile și toleranțele conectorilor

Conectorii folosiți la structura de rezistență a clădirilor au la partea superioară un cap ce permite ancorajul acestuia în beton, iar la partea inferioară sunt de formă conică sau rotunjită permițând astfel fixarea și amorsarea pe piesa de sudat.

Aproape toate bolțurile au la baza de sudură o pastilă din aliaj de Al ce are rolul de a facilita amorsajul, de a stabili arcul electric și de a dezoxida și calma baia de sudură, deoarece calitatea și dozajul fluxului au un rol esențial în obținerea unei suduri ireproșabile și uniforme.

Inelul ceramic folosit la sudarea conectorilor cu inel ceramic, are rolul de a proteja baia de sudură de impurități și de condițiile atmosferice. Acesta este consumabil și se înlătură la finalizarea operațiunii.

Fig. 25. Inel ceramic

d4 – diametrul interior al inelului ceramic

d5 – diametrul exterior superior al inelului ceramic

d6 – diametrul total al inelului ceramic

Tabelul 4. Dimensiunile și toleranțele inelelor ceramice

Conectorii utilizați la structurile de rezistență a clădirilor au următoarele caracteristici de rezistență în funcție de materialul folosit la fabricație :

conectorii din oțel carbon sudabil clasa 4,8 sunt conectori de îmbinare a metalului cu betonul și sunt din oțel tip S235J2G3+C450

limita de elasticitate a conectorului este de Re min =340 N/mm2 / 350 N/ mm2

rezistența la rupere a conectorului este de Rm min =420 N/ mm2 / 450-600 N/mm2

alungirea conectorului este de A5 min =14 % / 15 %

protecția conectorului poate fi prin: zincare, zincat-bicromat galben electrolitic, cuprat electrolitic, nichelat electrolitic

conectorii din oțel inoxidabil pot fi bolțuri filetate din inox sau conectori de îmbinare a metalului cu betonul din inox

limita de elasticitate a conectorului este de Re min =185 N/mm2 / 355 N/ mm2

rezistența la rupere a conectorului este de Rm min =500 N/ mm2 / 540-780 N/mm2

alungirea conectorului este de A5 min =25 % / 25 %

protecția conectorului este data de tipul otelului inoxidabilfoloit care poate fi rezistent la coroziune și acizi 1.4401, 1.4541 și 1.4571

conectorii din oțel refractar: 1.4713, 1.4742, 1.4762, 1.4828, 1.4841 și 4571

conectorii din material neferoase cum ar fi conectorii de pâna la Φ 12 din aluminiu AlMg3-F23

Pregătirea pieselor pentru sudare

Înainte de sudare, suprafețele de contact trebuie să îndeplinească următoarele condiții: să fie uscate, să nu aibe urme de grăsimi, uleiuri, vopsea, oxizi, zgură, nisip, șpan sau alte impurități. Pentru o bună amorsare între vârful bolțului și piesa pe care se sudează bolțul trebuie sa existe contact metalic, motiv pentru care se îndepărtează impuritățile și rugina impunându-se curățarea și deconservarea semifabricatelor inainte de sudare, operație ce trebuie să asigure eliminarea în întregime a suprafețelor cu rugină, a oxizilor, a impurităților, a acoperirilor de protecție sau chiar al defectelor superficiale din zona de contact și din imediata apropiere.

Rugina ce apare în urma coroziunii oțelului în prezența oxigenului și a apei, apare adeseori pe semifabricatele din oțel, după care sub acțiunea arcului electric, se formează H2 și O2 ce se dizolvă în topitură, fapt ce duce la apariția porozităților, la solidificare sau degajarea lui sub forma atomică în microporozitățile oțelului solid, la scăderea plasticității și creșterea tendinței de fragilizare a sudurii.

Oxizii se dezvoltă de obicei pe suprafețele metalice din fier când, odată cu topirea se produc și reacții de reducere a acestor oxizi, cu formarea FeO care duc la scăderea caracteristicilor de plasticitate a îmbinărilor.

Deconservarea suprafețelor se poate face prin următoarele metode:

înlăturarea mecanică a unor suprafețe acoperite grosier cu: unsoare, vaselină, vopsele, folii metalice sau plastic

pentru înlăturarea acoperirilor rămase după aplicarea metodei de înlăturare mecanică se poate efectua o suflare cu abur sau o spălare cu apă caldă (70- 900C)

înlăturarea straturilor subțiri se face cu ajutorul periilor sau produselor textile înmuiate în petrol, benzină, etc., după care se sulfă cu aer comprimat sau se șterge cu textile uscate

Curățarea suprafețelor se poate face prin procedee mecanice sau prin procedee chimice:

curațarea prin procedee mecanice

pentru înlăturarea defectelor superficiale adânci curățarea se face cu discuri abrasive

pentru înlăturarea defectelor superficiale medii curățarea se face cu perii metalice

pentru înlăturarea defectelor superficiale medii sau mici curățarea se face prin sablare cu nisip, cu alice din fontă albă sau cu particole abrazive antrenate cu un jet de apă

curațarea prin procedee chimice

pentru înlăturarea oxizilor sau a altor produse de coroziune se utilizează decaparea cu acizi sau baze, prin pulverizare sau prin cufundare în băi, sau pentru o curățare mai rapidă se utilizează decaparea în băi speciale ce conțin acizi sau baze, prin care trec unde ultrasonore

Fig. 26. Suprafață curățată pentru sudare

La sudarea conectorilor cu timp foarte scurt de sub 50 de ms curățarea zonei de contact și din imediata vecinătate trebuie atent efectuată deoarece având în vedere timpul scurt de sudare impuritățile cu dimensiuni mai mari de 30 m pot influența calitatea îmbinării și reproductibilitatea acesteia.

Suprafața pe care urmează sa se sudeze conectorii trebuie să fie dreaptă sau să se stabilească înainte de sudare prin experimentări diametrului maxim a bolțului ce poate fi sudat, deoarece altfel sudarea conectorului nu se va face pe întreaga suprafață.

Curentul trebuie să fie constant fără abaterii acceptându-se fluctuații de 10%, dacă fluctuațiile sunt mai mari duc fie la o topire insuficientă fie la una exagerată ce duce la topiri necontrolate.

Legarea piesei la masă cu o clemă de strângere cu un contact electric cât mai bun și cât mai simetric pentru a înlătura suflajul magnetic care constă din devierea arcului electric de un câmp magnetic, ceea ce va duce la o topire mai accentuată în partea unde a fost deviat arcul electric și formarea unei bavuri neuniforme.

Port-bolțul trebuie să fie curat, iar prinderea bolțului trebuie facută printr-o strângere cât mai bună pentru a se evita topirea bolțului în zona de prindere. Durata de utilizare a port-bolțului depinde în funcție de dimensiunea bolțurilor însă nu trebuie să depășească 1000-5000 suduri.

Înainte de sudarea conectorilor trebuie efectuată trasarea și marcarea prin chirnuire, care nu trebuie să fie prea adâncă deoarece poate influența amorsarea și în consecință și sudarea.

Poziționarea recomandată este cea verticală, perpendicular pe suprafața piesei, datorită ușurinței în sudare, dar dacă această poziție nu este posibilă poate fi efectuată în altă poziție în funcție de precizia de poziționare cerută pentru conectorul sudat. Poziționarea bolțului poate fi realizată cu o precizie de 1,5 mm în funcție și de priceperea operatorului.

Dacă sudarea conectorilor se face pe table cu acoperiri de protecție trebuie avut în vedere faptul că odată cu creșterea valorii tensiunii la sudare expulzările sunt mai puternice, mai uniform distribuite și efectul de înegrire mai accentuat. La sudarea bolțurilor cu guler de dimensiuni mai mari efectul de înegrire este mai scăzut datorită gulerului ce estompează înegrirea.

Procedura de sudare

Procedura de sudare a conectorilor este formată dintr-o o succesiune clară de acțiuni ce trebuie să fie urmate întocmai, această procedură include referiri la materiale, la pregătirea materialelor, la metoda optimă de sudare, la controlul sudurii precum și la echipamentul necesar pentru realizarea unei suduri calitative.

Înainte de începerea propriu-zisă a sudării trebuie reglați parametrii de sudare în funcție de diametrul bolțului ce urmează a fi sudat. Reglajul este un factor important în calitatea sudării, deoarece o bună corelație între timpul de sudare și diametrul bolțului duc la rezultate bune.

Tabelul 5. Valori de reglaj

Principalele particularități ale sudării bolțurilor cu arcul electric cu amorsare prin ridicare sunt:

diametrul conectorului (dc) – 3 – 25 (30) mm

timpul de sudare (ts) – 20 ms – 2 sec

curentul de sudare: (is) – 200 – 2000 A

Principiul sudării bolțurilor cu arc tras cu amorsare prin ridicare funcționează cu o descărcare extrem de rapidă ce poate ajunge până la 20 ms și este aplicabilă la sudarea mai multor metale printre care se numără: oțelul, oțelul galvanizat, inoxul, aluminiul sau alama.

După alegerea bolțului se reglează port-bolțul în funcție de diametrului, lungimea și materialul bolțului la lungimea corespunzătoare pentru un contact bun. Un aspect important al acestei etape în reușita sudurii este de inserarea corectă a bolțului pentru a se evita topirea bolțului în zona de prindere. Dupa inserarea bolțului în port-bolț se montează inelul ceramic ce are are rolul de a proteja baia de sudură.

În prima fază bolțul trebuie poziționat pe suprafața piesei cu partea de amorsare direct pe suprafața tablei unde se presează pentru a adera complet și a suda bolțul perpendicular pe tablă.

În faza a doua butonul de pornire al capului de sudură este apăsat de operator, moment în care curentul de sudare trece prin bolț fapt ce va duce la încălzirea ușoară a vârfului acestuia, după care bolțul este ridicat de pe suprafață piesei printr-un sistem automat de ridicare moment în care se amorsează un arc electric ce duce la topirea vârfului bolțului și la topirea locală a piesei.

După topirea celor două materiale arcul electric este oprit și bolțul împins ușor în baia metalică a celor două metale topite fapt ce duce la amestecarea și solidificarea băii comune (Fig.25).

Fig. 27. Principiul sudării bolțurilor cu arc tras cu amorsare prin ridicare

vârful bolțului intră în contact cu piesa metalică, moment în care arcul electric este inițializat

arcul electric realizat produce o topirea atât a bolțului cât și a piesei metalice pe care urmează să fie sudat

bolțul este scufundat în baia de sudare prin plonjare

materialul topit se solidifică și are loc sudarea bolțului

După solidificarea băii pistolul trebuie extras ușor perfect perpendicular pentru a nu îndoii bolțul, deoarece o extragere la un unghi diferit poate avea urmări nefaste prin îndoirea bolțului și ulterior la distrugerea funcționalității ansamblului sudat.

Fig. 28. Bolț sudat cu inel ceramic

Ultima etapă a procedurii de sudare presupune îndepărtarea inelului ceramic rămas în jurul bolțului în urma răcirii băii de sudură. Îndepărtarea inelului ceramic se face prin lipirea cu un ciocan, după cum este exemplificat în figura 29.

Fig. 29. Îndepărtarea inelului ceramic

Fig. 30. Topirea pieselor și intensitatea curentului

ts – timpul de sudare

is – curentul de sudare

tp – adâncimea până la care are loc topirea piesei

tb – suprafața de topire a bolțului

După cum se poate observa în figura 28, în primă fază tensiunea este zero, acestei faze îi corespunde momentul în care vârful bolțului ajunge în contact cu piesa metalică, după care are loc o creștere a intensității odată cu apăsarea butonului de către operator ce rămâne constantă pentru încălzirea ușoară a bolțului. În ultima etapă are loc o creștere bruscă a curentului de sudare ce va duce la topirea celor două piese.

Încercări și verificări

În condiții ideale sudarea conectorilor ar trebui să fie executată fără defecte, însă cum acest lucru este imposibil, în condiții atmosferice normale defectele admise trebuie să se încadreze în toleranțele prescrise în standardul (EN 729 -2 sau 3) care prevede că suprafața totală a tuturor imperfecțiunilor să nu depășească 5% din suprafața totală a conectorului, însă nu este permisă sub nicio forma existența fisurilor sau a incluziunilor.

Imperfecțiunile privind suprafața de rupere a sudurii nu trebuie să depășească 20% din diametrul conectorului.

Găurile sau porii cu dimensiuni ce nu depăsesc 0,5 mm, nu trebuie luate în considerare.

Raportul dintre diametrul conectorului și mărimea maximă admisă a defectelor singulare și suprafața totală a imperfecțiunilor admisibile poate fi comparată cu datele din tabelul 6.

Tabelul 6. Raportul dintre diametrul bolțului și mărimea admisă a defectelor

Controlul efectuat în urma sudării conectorilor poate fi efectuat prin două tipuri de încercări: încercări nedistructive și încercări distructive.

încercările nedistructive pot fi efectuate prin următoarele metode:

printr-un control vizual al îmbinării sudate

printr-un control al parametrilor de sudare

printr-un control al scurtării la sudare

printr-o încercare la tractiune cu încărcare limitată

printr-o încercare la îndoire cu încărcare limitată

printr-un control cu ultrasunete la bolțuri cu dimensiuni ce depășesc 14 mm

încercările distructive pot fi efectuate prin următoarele metode:

printr-o încercare la îndoire

printr-o încercare la îndoire cu crestătura bolțurilor

printr-o încercare la tracțiune

Controlul vizual verifică uniformitatea convexității sudurii, dimensiunile gulerului de sudare și perpendicularitatea bolțului pe piesa sudată. Nu se admite gâtuirea sudurii, întreruperi sau asimetrii, existența suflajului magnetic sau al stropirilor puternice.

Fig. 31. Cordon de sudură întrerupt datorită amorsării incomplete

Fig. 32. Încercarea la îndoire

îndoirea cu o țeavă teșită

îndoirea cu ajutorul ciocanului

îndoirea cu o țeavă normală

bolț

piesa pe care este sudat bolțul

țeava, respectiv ciocan

α. unghi 60°

Incercarea la îndoire poate fi efectuată cu o țeavă teșită când îndoirea bolțului este chiar deasupra sudurii, îndoirea cu o țeavă normală când îndoirea bolțului este mai sus decât în prima fază sau prin lovire cu ciocanul pâna la apariția fisurilor în zona sudată sau până ce bolțul formeaza un unghi α de 60°.

Fig. 33. Bolț sudat corect

Bolțul depășește cu bine încercarea la tracțiune dacă în urma tracțiunii ruperea materialului are loc în afara ariei sudate după o deformare prealabilă a materialului. Ruperea intervenită pe suprafața sudată sau în imediata apropiere poate fi totuși permisă dacă are loc la o valoare a solicitării ce depășește rezistența metalului de bază.

Fig. 34. Încercarea la tracțiune

bolț

cordon de sudură

punte de legătură

piesa pe care s-a sudat bolțul

șurub de strângere

cilindru hidraulic

Pe lângă procedeele prezentate mai sus mai poate fi efectuată o examinare macroscopică, ce are drept scop descoperirea defectelor metalografice din sudură. În cazul acestei metode se examinează suprafețele pregătite, cautându-se existența porilor, a fisurilor sau a altor defecte de legătură și incluziuni.

Analiza defectelor și acțiuni corective

Analiza defectelor și acțiuni corective la sudarea conectorilor cu arc electric cu amorsare prin ridicare și inel ceramic

Tabelul 7. Analiza defectelor și acțiuni corective la sudarea conectorilor cu arc electric cu amorsare prin ridicare și inel ceramic

Analiza defectelor și acțiuni corective la sudarea conectorilor cu arc electric cu amorsare prin ridicare cu durată redusă

Tabelul 8. Analiza defectelor și acțiuni corective la sudarea conectorilor cu arc electric cu amorsare prin ridicare cu durată redusă

Concluzii

Dezvoltarea modernă a industriei construcțiilor a devenit posibilă și datorita acestui procedeu de sudare a conectorilor, deoarece toate construcțiile moderne au la bază o structură mixtă bazată pe legatura dintre oțel și suprafețele betonate. Aderența plăcii de beton pe suprafețele metalice este scăzută, motiv pentru care transmiterea forțelor de lunecare este realizată prin intermediul conectorilor sudați pe suprafețele metalice ce au ca rol primordial oprirea deplasării suprafețelor din beton.

Comportamentul grinzilor mixte este caracterizat ca fiind unul ce răspunde bine la forfecare, motiv pentru care au fost concepute și testate mai multe tipuri de conectori tip bolț pentru a fi mai ușor înglobații în masa betonului și pentru o armare mai bună. În consecință, această tehnologie are, pe zi ce trece, tot mai mulți adepți care sunt atrași pe de o parte de considerentele economice, iar pe de altă parte de viteza de lucru și utilizarea în condiții diferite.

La această metodă, sudarea are loc prin topirea celor două piese ce vin în contact: conectori și respectiv, tablele sau grinzile pe care urmează a fi sudați. Conectorii folosiți la structura de rezistență a clădirilor au la partea superioară un cap ce facilitează ancorajul acestuia în beton, iar la partea inferioară sunt de formă conică sau rotunjită permițând astfel fixarea și amorsarea pe piesa de sudat.

Inelul ceramic folosit la sudarea conectorilor cu inel ceramic, are rolul de a proteja baia de sudură de impuritați și de condițiile atmosferice.

Principalele avantajele utilizării procedeului de sudare a conectorilor cu arc electric amorsat prin ridicare sunt următoarele:

viteză mare de sudare cuprinsă între 20 de milisecunde și două secunde

productivitatea crescută însoțită de micșorarea costului de producție

sudarea conectorilor se poate efectua în condiții și spații variate

rezistență crescută a construcțiilor datorită structurilor mixte formate din oțel și beton

buna ancorare și o armare ușoară a betonului

calitate crescută a îmbinării cu obținerea, de îmbinări sudate în care cele două piese au aceleași caracteristici mecanice

datorită rapidității procesului suprafața de pe partea opusă nu suferă modificări pe durata sudării, putând fi utilizată chiar și pe table vopsite, pre-vopsite, plasticizate sau galvanizate, însă în zona de contact suprafețele trebuie să fie perfect curate

utilaje de sudare simple și ușor de manipulat

costuri de fabricare reduse

obținerea de ansambluri cu rezistență superioară

procedeul de sudare este rentabil atât la realizarea pieselor de serie serie mare cât și în cazul celor de serie mică sau unicat

Principalele dezavantaje ale procedeului sunt:

imposibilitatea realizării sudării pe oțel călit

imposibilitatea realizării sudării pe suprafețe metalice oxidate

imposibilitatea realizării sudării pe suprafețe metalice vopsite

suprafețele ce urmează a fi sudate trebuie să fie uscate, fără urme de grăsimi, uleiuri, vopsea, oxizi, zgură, nisip, șpan sau alte impurități.

Bibliografie

Anghel Iulian – Sudarea oțelurilor aliate, Ed. Tehnică, București, 1993

Băncilă, R., Curs EWE – European Welding Engeneer, ISIM – Timișoara, 2001.

Burcă, M. – Aspecte tehnologice ale sudării bolțurilor cu arcul electric. Volumul “Sesiunea de comunicări științifice a ASR”, Cluj-Napoca, 2001

Gheorghiu, D. – Clasificarea procedeelor de sudare, Editura Politehnium, Iași, 2010

Lupescu I., A. Petrișor, C. Rădulescu – Sudarea sub strat de flux în baie de zgură și în medii protectoare, Ed. Didactică și Pedagogică, București, 1968

Machidon-Pisu, T., Machedon-Pisu, E.Tehnologia sudării prin topire : procedee de sudare – Brașov, Lux Libris, 2009

Mihăilescu, D., Mihăilescu, A., Lupu, G., Tehnologia sudării prin topire – Îndrumar de proiectare, Editura Fundației Universitare Dunărea de Jos” Galați, 2004

Mitelea, I., Budău, V. – Materiale și tratamente termice pentru structuri sudate, Ed. De Vest, 1992

Petzek, E., Toma, L., Mete, E., Bancila, R. – Soluții eficiente în domeniul podurilor conectori compusi, Conferință Națională de Construcții Metalice 21-22 Noiembrie 2013, București

Stenke, V. – Gaze utilizate pentru protecția rădăcinii și pentru sudare, Rev. Sudura, nr. 3, 1991

Trillmich, R. – Asigurarea calității la sudarea bolțurilor. Rev. “Sudura”, Nr.2, 2001

Vișan, D. – Tehnologii de sudare. Asigurarea calității la sudarea bolțurilor. Rev. “Sudura”, Nr.2, 2001. Universitatea din Craiova Facultatea de Mecanică

*** ISIM și OIDCM – Stadiul și tendințele standardizării în domeniul sudării și al procedeelor conexe. Vol. I – Vol. XI – 1989 – 1991

*** AWS Welding Handbook. In: Eighth Edition, Volume 2

*** SR EN 288/1/3/4-99: Specificația și calificarea procedurilor de sudare pentru materiale metalice

*** SR EN 1993/1/8: 2006 Eurocod 3: Proiectarea structurilor de oțel, Partea 1-8: Proiectarea îmbinărilor

*** SR EN ISO – 14555/2002: Sudarea bolțurilor pe materiale metalice

*** SR ISO 857:1994 Archives – Informatii tehnice din inginerie, stiinta, tehnologii si calculatoare

*** ISO 13918:2008 Welding — Studs and ceramic ferrules for arc stud welding

*** ISO 14555:2006: Welding -Arc stud welding of metallic materials

*** Normativ privind prescripțiile generale de proiectare. Verificarea prin calcul a elementelor de construcții metalice și a îmbinărilr acestora. Cod CR 3.01.1, București 1998

*** DIN 18800/1993

http://www.enakron.com/

http://www.twi-global.com/technical-knowledge/published-papers/optimisation-of-plasma-control-parameters-for-ndyag-laser-welding-of-stainless-steel-enclosures/

http://www.academia.edu/8554658/Sudarea_metalelor_%C5%9Fi_procedee_conexe_%C3%8Entroducere

http://www.intechopen.com/books/welding-processes/optimized-stud-arc-welding-process-control-factors-by-taguchi-experimental-design-technique

http://www4.hcmut.edu.vn/~dantn/TC9-237/Ch6.htm

http://www.apcmr.ro/zat2007/223-230%20ZAT2007_D.Dumbrava.pdf

http://www.infrascan.com.hk/Stud_Welding_Applications.pdf

http://www12.tuiasi.ro/users/112/Master2011.pdf

http://www.sim.utcluj.ro/stm/download/Sudura/Curs%20Sudura.pdf

http://www.bluearcstudwelding.com/stud-welding-procedures-pdf-version