C. 14. 15.01.04 8. Sudarea în curent�i de înalta� frecvent�a� – CIF

8.1. Principiul procedeului

Sudarea CIF este un procedeu care se bazeaza� pe înca�lzirea componentelor cu ajutorul unui curent de înalta� frecvent�a�, cu sau fa�ra� aplicarea unei presiuni de refulare. Înca�lzirea se realizeaza� pe baza efectului Joule-Lenz într-un material, putând fi utilizat atât la materiale magnetice cât s�i la materiale amagnetice. În primul caz la înca�lzirea produsa� prin efect Joule-Lenz se mai adauga� s�i înca�lzirea datorata� pierderilor prin histereza�. Procedeul se aplica� atât la sudarea cap la cap (sudare simultana� pe întreaga sect�iune a materialului) cât s�i la sudarea continua� în linie a unor componente de lungime mare. Avantajele procedeului (comparative cu sudarea clasica�):

- randament energetic ridicat, puterea utila� reprezentând cca. 60% din energia consumata�;

- controlul s�i introducerea localizata� a ca�ldurii în componente; - transmiterea mai facila� a energiei în componente, chiar fa�ra� contact fizic; - solicitare termica� s�i deformat�ii la sudare mai reduse ca efect al concentra�rii ca�ldurii

respectiv a energiei liniare sca�zute; - productivitate ridicata� ca urmare a posibilita�t�i de sudare cu viteze foarte mari, de

exemplu pâna� la 300m/min la sudarea continua� în linie. În funct�ie de modul de formare a îmbina�rii respectiv modul de aplicare a curentului

în circuitul de sudare sudarea CIF se poate clasifica în: a. dupa� modul de formare a sudurii:

Ø Sudarea CIF prin presiune: sudura se realizeaza� prin înca�lzirea materialului la o temperatura� inferioara� temperaturii de topire s�i deformarea plastica� a acestuia (asema�na�tor cu sudarea electrica� prin presiune în stare solida�);

Ø Sudarea CIF prin topire: sudura se realizeaza� prin înca�lzirea materialului la o temperatura� superioara� temperaturii de topire, amestecarea s�i solidificarea ba�ii de metal topit a componentelor.

b. dupa� modul de aplicarea a curentului: Ø sudarea CIF prin induct�ie; Ø sudarea CIF prin contact. În mod uzual pentru sudarea CIF se utilizeaza� curent�i de frecvent�a� ridicata� în

domeniul 3 – 1760 kHz. În funct�ie de frecvent�a curentului deosebim: a. sudarea CIF cu frecvent�a� medie: 3 – 10 kHz; b. sudarea CIF cu frecvent�a� intermediara�: 40 – 100 kHz; c. sudarea CIF cu radiofrecvent�a�: =� 200 kHz, de obicei 220 kHz, 440 kHz sau

1760 kHz. Obt�inerea curentului de înalta� frecvent�a� se poate realiza cu ajutorul generatoarelor

de frecvent�a� (de tip inductor homopolar sau heteropolar) în cazul frecvent�elor medii, respectiv cu ajutorul unor surse electronice în cazul frecvent�elor intermediare sau de radio-frecvent�a�.

8.2. Efectul pelicular s�i efectul de proximitate Înca�lzirea la sudarea CIF, pe baza efectului Joule-Lenz, este influent�ata� de doua� fenomene specifice procedeului s�i anume efectul pelicular s�i efectul de proximitate.

8.2.1. Efectul pelicular. Consta� în distribut�ia neuniforma� a densita�t�ii de curent într-un conductor parcurs de un curent variabil în timp (curent alternativ) prin concentrarea liniilor de curent la suprafat�a conductorului. Prin urmare densitatea de curent este maxima� la suprafat�a conductorului s�i scade spre interiorul acestuia conform relat�iei:

δx

x ejj−

⋅= 0 (14.1) unde:

- jx – densitatea de curent la adâncimea “x” de la suprafat�a conductorului; - j0 – densitatea de curent la suprafat�a conductorului (x=0); - d� – pa�trunderea;

Pa�trunderea d� reprezinta� distant�a de la suprafat�a conductorului la planul în care densitatea de curent scade la valoarea:

ejj 0=δ (14.2)

s�i depinde de frecvent�a curentului “f”, rezistivitatea electrica� “?�” respectiv permeabilitatea magnetica� “µ�” a materialului conform relat�iei:

µπ

δ⋅⋅

=f

(14.3)

Se observa� ca� la cres�terea frecvent�ei, curentul tinde sa� se concentreze pe o zona� din ce în ce mai mica� la suprafat�a conductorului, ceea ce conduce la o înca�lzire superficiala� a acestuia. În tabelul 14.1 se prezinta� valorile pa�trunderii d� pentru diferite materiale s�i la diferite frecvent�e ale curentului. Tabelul 14.1. Influent�a frecvent�ei curentului asupra pa�trunderii la diferite materiale

Pa�trunderea d� (mm) pentru Materialul Temperatura f = 10 kHz f = 40 kHz f = 440 kHz 20 0.28 0.14 0.05 780 4.80 2.40 0.80 Ot�el carbon 1400 5.40 2.70 0.85 20 3.80 1.90 0.58 Ot�el inoxidabil

austenitic 1400 5.20 2.60 0.78 20 0.80 0.40 0.13 Aluminiu 600 1.46 0.73 0.23 20 0.64 0.32 0.10 Cupru 1050 1.46 0.73 0.23

8.2.2. Efectul de proximitate. Consta� în concentrarea liniilor de curent de frecvent�a�

ridicata� în lungul ca�ii de curent de reactant�a� minima� dintr-un material. Efectul de

proximitate se obt�ine prin plasarea unui conductor de proximitate în apropierea suprafet�ei materialului, figura 14.1.

Figura 14.1. Evident�ierea efectului de proximitate a curentului CIF

Astfel, folosind efectul de proximitate în cazul înca�lzirii CIF, se poate asigura controlul s�i dimensiunile zonei de trecere a curentului prin piesa de sudat s�i localiza înca�lzirea acesteia prin pozit�ionarea în apropierea piesei a unui conductor de proximitate parcurs de un curent egal s�i în opozit�ie de faza� cu curentul prin piesa�.

8.3. Sudarea CIF prin presiune 8.3.1. Sudarea prin induct�ie

În acest caz înca�lzirea materialului se realizeaza� prin ca�ldura dezvoltata� prin efect Joule-Lenz cu ajutorul unor curent�i turbionari indus�i în piesa� de un câmp magnetic variabil. Pentru realizarea câmpului magnetic de amplitudine s�i frecvent�a� ridicate se utilizeaza� un inductor adaptat la forma s�i dimensiunile componentelor de sudat. Calea de trecere a curentului prin componente este controlata� prin efectul de proximitate, de dimensiunile inductorului s�i pozit�ia sa fat�a� de suprafat�a componentelor.

Sudarea prin induct�ie se poate aplica atât la sudarea în linie cât s�i cap la cap. 8.3.1.1. Sudarea în linie. Principiul suda�rii prin induct�ie în linie este prezentat în figura 14.2, în cazul cazul

suda�rii pe generatoare a unei t�evi.

Figura 14.2. Sudarea prin induct�ie în linie

a- concentrarea dirijata� a curentului; 1.componente; 2. inductor;3. miez magnetic; 4. role; b - autoconcentrarea curentului; 1. componente; 2. inductor; 3. role; 4. impeder

Calea de trecere a curentului indus este realizata� prin pozit�ia relativa� a inductorului fat�a de componente (varianta a) sau prin efectul de proximitate (varianta b). Cea mai utilizata� este varianta b cunoscuta� s�i sub denumirea de sudare cu autoconcentrare a curentului. Prega�tirea componentelor se face astfel încât suprafet�ele de îmbinat sa� formeze între ele o deschidere de 3 – 7°�. Datorita� efectului de proximitate, curentul indus trece prin circuitul în forma� de V format de suprafet�ele componentelor (vezi linia punctata�).

Inductorul poate fi plasat în interiorul sau exteriorul t�evii. Solut�ia inductorului interior se aplica� doar în cazul suda�rii t�evilor cu diametrul peste 200 mm. Folosirea inductorului interior asigura� însa� un randament superior comparativ cu inductorul exterior. Geometria s�i pozit�ia inductorului influent�eaza� înca�lzirea componentelor. Pentru obt�inerea unei eficient�e maxime (cu pierderi cât mai mici în componente) se recomanda� ca diametrul inductorului sa� fie egal cu lungimea sa, iar amplasarea sa raportata� la unghiul de deschidere al componentelor sa� se faca� la distant�a L, figura 14.3. Nerespectarea acestor recomanda�ri conduce la reducerea randamentului de transfer a energiei în componente respectiv la necesitatea reducerii distant�ei inductor-componente. În general, la t�evi cu diametrul sub 30 mm se recomanda� ca distant�a inductor-componente sa� fie de cca. 5 mm. La diameter mai mari aceasta poate ajunge pâna� la valori de 25 mm.

Figura 14.3. Pozit�ionarea inductorului s�i a impederului la sudarea în linie

Reducerea componentei curentului indus care nu trece prin circuitul de sudare (traseul în V) s�i care se asimileaza� cu o pierdere de energie se face prin plasarea unui miez magnetic în interiorul t�evii, numit impeder. Impederul ma�res�te reactant�a inductiva� a ca�ii de curent din interiorul t�evii ma�rind astfer eficient�a înca�lzirii. Impederul se realizeaza� de obicer din ferita�. Deoarece temperature punctului Curie al feritei (cca. 200°�) este mult inferioara� temperaturii componentelor se impune ra�cirea fort�ata� a impederului în timpul suda�rii. Se recomanda� ca lungimea impederului sa� fie egala� cu de 3…4 ori diametrul inductorului, iar diametrul acestuia sa� fie cât mai apropiat de diametrul interior al t�evii. Amplasarea impederului se face în vârful V-ului format de componente. Utilitatea folosirii impederului cres�te o data� cu reducerea diametrului t�evii. În acelas�i timp însa� execut�ia acestuia devine tot mai dificila� la t�evi cu diametru mic. Volumul de metal înca�lzit la sudare s�i prin urmare puterea necesara� sunt inflent�ate de ma�rimea unghiului de deschidere dintre componente. De exemplu, daca� la un unghi de deschidere de 6°� se produce o înca�lzire a materialului pe o adâncime h, o sca�dere a unghiului la 3°� conduce la o reducere a adâncimii la 0,7h. Rezulta� deci, ca� prin utilizarea unui unghi de 3°� este necesara� doar 70% din puterea necesara� la un unghi de 6°�. Fort�a de presare necesara� la realizarea sudurii se realizeaza� printr-un sistem de strângere cu role.

Sudarea în linie prin induct�ie se aplica� la sudarea pe generatoare a t�evilor din ot�el carbon, aluminiu, cupru. În general la sudarea t�evilor cu diametrul pâna� la 530 mm s�i grosimea peretului sub 6 mm se recomanda� folosirea unui inductor exterior cu frecvent�a de 440 kHz. În cazul t�evilor cu peret�i gros�i, 4 …10 mm cu diametrul peste 220 mm se utilizeaza� de preferint�a� o frecvent�a� de 10kHz s�i un inductor interior. T�evile cu peret�i subt�iri având raportul dintre diametru s�i grosimea peretelui peste 100/1 se sudeaza� în spirala�. În acest caz la�t�imea benzii din care se executa� t�eava este de aprox. 1,2 …2,0 x diametrul t�evii. Întrucât la sudarea în spirala� suprafet�ele componentelor nu se afla� într-un câmp magnetic uniform înca�lzirea acestora este neuniforma�. Sudarea în spirala� se face de regula� la frecvent�a de 440 kHz. În tabelul 14.2 s�i 14.3 se prezinta� câteva regimuri de sudare în linie a t�evilor. Tabelul 14.2. Regimuri de sudare cu inductor exterior

Puterea specifica� Diametrul t�evii

Grosimea peretelui

Frecvent�a curentului

Puterea instalat�iei

Viteza de sudare Cu impeder Fa�ra� impeder

mm mm kHz kW m/min kW/(m/min)mm 10-12 1.2-1.5 160 70-90 1.1-1.2 - 16-25 2.0-2.5 160 80-100 0.8-1.0 - 28-48 2.8-4.0 160 90-120 1.0-1.2 - 56-63 3.5-4.5 400 60-90 1.1-1.3 - 70-83 3.5-4.7 400 60-90 1.2-1.4 2.8

89-102 4.5-5.6 400 60-90 1.3-1.5 3.0 114-127 5.6-7.1 630 50-80 1.4-1.6 3.2 133-159 6.6-7.4 630 40-75 1.6-1.8 3.5 168-220 8.1-9.3

440

1000 30-60 1.8-2.0 4.0 Tabelul 14.3. Regimuri de sudare cu inductor interior

Diametrul t�evii

Grosimea peretelui

Frecvent�a curentului

Puterea instalat�iei

Viteza de sudare Puterea specifica�

mm mm kHz kW m/min kW/(m/min)mm 208-219 4-8 1500 40-80 3.0-3.75 219-325 4-8 1500 35-80 3.0-3.4 325-530 6-10 1500 28-80 2.0-4.3 530-820 6-12 1000 14-30 4.0-5.6

1020-1220 8-15 2000 10-20 6.2-6.8 1220-1620 8-20

10

3000 8-24 4.8-6.0 La sudarea în linie prin induct�ie se utilizeaza� de asemenea s�i curent�i de frecvent�a� intermediara�, cu toate ca� randamentul înca�lzirii este mai redus, motivata� de urma�toarele avantaje:

- pa�trunderea curentului de înalta� frecvent�a� în material la frecvent�a de 40 kHz este de cca. 3 ori mai mare decât la frecvent�a de 440 kHz ceea ce conduce la o înca�lzire mai

uniforma� a componentelor respective operarea cu o temperatura� de înca�lzire mai redusa�;

- exista� un interval de tolerant�a� mai mare pentru pozit�ionarea inductorului fat�a� de componente, inductorul putând avea un diametru dublu fat�a� de componente fa�ra� a afecta randamentul;

- procesul de sudare este mai stabil, nu se produc împros�ca�ri de material, iar bavura are dimensiuni mai reduse s�i este mai regulata�;

- echipamentul de sudare este mai simplu. În ceea ce prives�te caracteristicile îmbina�rilor sudate, datorita� concentra�rii ca�ldurii s�i

a vitezelor de ra�cire foarte ridicate (1500°�C/s), la sudarea ot�elurilor carbon s�i slab aliate apare pericolul forma�rii constituent�ilor structurali duri s�i fragili. În aceste cazuri se recomanda� preînca�lzirea materialului sau efectuarea unui tratament termic post sudare.

8.3.1.2. Sudarea cap la cap Principiul suda�rii prin induct�ie cap la cap este prezentat în figura 14.4. Procedeul este aplicabil la sudarea unor componente cu contur închis (t�evi). Sudarea are loc în stare solida�. Inductorul îmbra�t�is�eaza� componentele în zona de îmbinare. În general se utilizeaza� inductoare cu o spira�, distant�a dintre inductor s�i componente fiind de 4 … 10 mm. Pentru a asigura o înca�lzire pe o zona� mai mare la sudarea cap la cap se utilizeaza� curent�i de medie frecvent�a� (8 – 10 kHz).

Figura 14.4. Principiul suda�rii prin induct�ie cap la cap

Distribut�ia temperaturii este neuniforma� pe grosimea componentelor, temperatura fiind maxima� pe suprafat�a exterioara� a acestora. Gradul de neuniformitate a înca�lzirii componentelor pe sect�iune depinde de puterea folosita� s�i de viteza de înca�lzire. Înca�lzirea cu putere redusa� asigura� o uniformitate a câmpului temic, dar conduce la cres�terea pericolului de oxidare a suprafet�ei materialului respectiv la sca�derea productivita�t�ii la sudare. Pentru cres�terea uniformiza�rii câmpului termic pe circumferint�a componentelor se recomanda� rotirea acestora în timpul suda�rii. Se diminueaza� astfel efecul indus de dezaxarea axelor componentelor s�i a inductorului.

În timpul refula�rii distant�a dintre inductor s�i componente scade, ceea ce conduce la o supraînca�lzire a materialului deformat la cald. Pentru evitarea acestui fenomen se recomanda� întreruperea procesului de înca�lzire în momentul refula�rii, precum s�i utilizarea unor viteze de refulare mai mari (în cazul ot�elului peste 5 mm/s).

Presiunea de refulare se alege ca s�i la sudarea electrica� prin presiune cap la cap. Pentru sudarea t�evilor din ot�el carbon, se recomanda� o presiune de refulare de 40 - 80 MPa.

1. componente; 2. inductor; 3. miez magnetic; 4. sistem de prindere-refulare

Sudarea se poate face cu sau fa�ra� protect�ie de gaz. Prin folosirea gazelor de protect�ie (argon, amestec N2 + H2, sau gaz natural pentru t�evi din ot�el carbon) se poate reduce presiunea de refulare necesara�, reducându-se astfel bavura. Gazul de protect�ie influent�eaza� temperatura minima� de înca�lzire necesara� în zona îmbina�rii, de exemplu 1200°�C la protect�ia cu gaz natural respective 1300°�C la protect�ia cu amestec de azot s�i hidrogen. Alimentarea cu gaz se poate face din exterior sau din interiorul t�evii. Caracteristicile mecanice se plaseaza� la nivelul metalului de baza�, mai put�in rezistent�a la oboseala� care este inferioara�. Caracteristicile de forma� s�i structurale ale îmbina�rilor sudate sunt comparabile cu cele obt�inute la sudarea electrica� prin presiune cap la cap, cu except�ia bavurii care este de dimensiuni mai reduse. 8.3.2. Sudarea prin contact Sudarea prin contact se deosebes�te de sudarea prin induct�ie prin modul de transmitere a curentului de înalta� frecvent�a� în componente. În acest caz componentele de sudat sunt intercalate în circuitul de sudare, transmiterea curentului la componente realizându-se prin intermediul unor electrozi de contact executat�i din aliaj cupru-argint s�i ra�cit�i cu apa�. Comparativ cu electrozii utilizat�i la sudarea electrica� prin presiune în acest caz electrozii sunt de dimensiuni mai reduse respectiv fort�a de apa�sare pe componente este mai mica�. Calea de trecere a curentului de înalta� frecvent�a� prin componente este determinata� de pozit�ia contactelor s�i de efectul de proximitate. Sudarea prin contact se poate aplica atât la sudarea în linie cât s�i la sudarea cap la cap.

8.3.2.1. Sudarea în linie Principiul suda�rii prin contact în linie este prezentat în figura 14.5 la sudarea pe generatoare a t�evilor.

Figura 14.5. Principiul suda�rii CIF în linie prin contact

Sudarea în linie se face de obicei folosind curent�i cu frecvent�a de 440kHz, utilizând varianta de autoconcentrare a curentului. Curentul de sudare prin componete urma�res�te o cale în V între cele doua� contacte electrice. Recomanda�rile tehnologice descrise la sudarea prin induct�ie sunt valabile s�i în acest caz.

8.3.2.2. Sudarea cap la cap Principiul suda�rii prin contact cap la cap este prezentat în figura 14.6. Pentru a asigura înca�lzirea în profunzime a materialului sudarea se face cu curent�i de medie frecvent�a�, 8 … 10 kHz. Zona de trecere a curentului are aceeas�i axa� cu axa sudurii, iar înca�lzirea se produce simultan pe întreaga sect�iune a îmbina�rii.

1. componente; 2. contacte; 3. role de prindere.

Figura 14.6. Principiul suda�rii CIF cap la cap prin contact

Calea de trecere a curentului este controlata� prin efectul de proximitate prin plasarea în apropierea componentelor a unui conductor de proximitate. La�t�imea zonei de distribut�ie a curentului este practice egala� cu diametrul conductorului de proximitate. Pentru îngustarea zonei de trecere a curentului s�i pozit�ionarea componentelor se utilizeaza� un miez (suport) magnetic. Înca�lzirea materialului se realizeaza� într-un timp scurt de 1 – 2 s, dupa� care are loc refularea la presiuni corespunza�toare suda�rii cap la cap în stare solida�. Scurtarea la refulare este aproximativ egala� cu grosimea componentelor. Frecvent�a curentului se alege astfel încât pa�trunderea sa� fie egala� cu grosimea componentelor. Spre deosebire de cazul suda�rii electrice prin presiune (f=50Hz) la care înca�lzirea componentelor se face prin trecerea unui curent de ordinul kA-rilor printr-o cale scurta� de rezistent�a� mica�, la sudarea CIF valoarea curentului de valoare redusa� trece printr-o cale lunga� de rezistent�a� mare. În acelas�i timp curentul trece prin zona îmbina�rii înca�lzind doar o zona� limitata� a componentelor cuprinsa� între electrozii de contact. Prin urmare eficient�a înca�lzirii este superioara� în acest caz comparativ cu sudarea electrica� prin presiune. Calitatea îmbina�rilor sudate este comparabila� cu cea de la sudarea electrica� prin presiune. Se pot suda componente din ot�el carbon (cu sect�iunea maxima� 7x900mm2), aluminiu, cupru, precum s�i combinat�ii ale acestor materiale. În cazul suda�rii materialelor diferite sau a grosimilor diferite rezultatele sunt superioare suda�rii electrice prin presiune datorita� timpului de înca�lzire mai redus. Procedeul ofera� posibilitatea suda�rii cu us�urint�a� a componentelor de forma� inelara� la care prin modul de trecere al curentului CIF nu mai apare efectul de s�untare specific suda�rii electrice prin presiune. 8.4. Sudarea CIF prin topire Înca�lzirea s�i topirea materialului se realizeaza� prin induct�ie. Prin înca�lzire se formeaza� o baie de metal topit prin solidificarea ca�reia se obt�ine sudura. Problema principala� la sudarea prin topire este dificultatea evita�rii scurgerii ba�ii de metal topit. Sub act�iunea fort�elor electrodinamice metalul topit este antrenat spre zona cu câmp magnetic minim. Ma�rimea acestor fort�e depinde de intensitatea câmpului magnetic, frecvent�a curentului, caracteristicile termo-fizice ale materialului, configurat�ia inductorului, figura 14.7.

1. componente; 2. conductor de proximitate; 3. cale de curent; 4. miez magnetic;

Figura 14.7. Influent�a geometriei inductorului asupra ba�ii de metal topit

La configurat�ia normala� a inductorului (varianta a) fort�ele electrodinamice tind sa� îndepa�rteze metalul topit din zona îmbina�rii. Acestor fort�e li se opun fort�ele de tensiune superficiala� a materialului topit care depind de geometria componentelor, caracteristicile materialului s�i de temperatura acestuia. Concomitent asupra ba�ii act�ioneaza� fort�a gravitat�ionala�. Îna�lt�imea ba�ii de metal topit h1 determina� calitatea sudurii, cres�terea acesteia determina� ma�rirea rezistent�ei mecanice a sudurii. Deoarece fort�ele de gravitat�ie s�i tensiune superficiala� sunt practic imposibil de controlat, singura cale de cres�tere a lui h1 este modificarea fort�elor electrodinamice prin ajustarea configurat�iei câmpului magnetic sau a frecvent�ei curentului. În varianta b se obt�ine reducerea intensita�t�ii câmpului magnetic în lungul axei inductorului prin prelucrarea corespunza�toare a conductorului inductorului, iar în varianta c se utilizeaza� un inductor compus din doua� conductoare parcurse de curent�i egali s�i de sens opus, ceea ce face ca intensitatea câmpului magnetic în axa� sa� fie nula�. Ma�rimea h1 este maxima�, dar eficient�a energetica� a procesului scade. Se pot suda prin topire componente de sect�iune circulara�, dreptunghiulara�, eliptica�, din diferite materiale de baza� ca ot�eluri carbon, ot�eluri aliate, titan, etc.. Se sudeaza� prin topire componente cu grosimea de 0,3 … 2,5 mm cu lungimea pâna� la 600 mm. Frecvent�a curentului este de 60 – 440 kHz. Sudarea are loc simultan pe întreaga sect�iune a îmbina�rii într-un timp de valoare redusa�. 8.5. Aplicat�ii Cazul cel mai specific al suda�rii CIF este sudarea pe generatoare a t�evilor din ot�el carbon sau slab aliat, atât prin induct�ie cât s�i prin contact. În general sudarea prin induct�ie se recomanda� în cazul t�evilor cu diametre pâna� la 200 mm s�i grosimi ale peretelui sub 15 mm, iar sudarea prin contact se utilizeaza� mai ales la sudarea t�evilor cu diametre mari, pâna� la 1600 mm s�i cu grosimi ale peretelui sub 10 mm. În mod uzual sudarea pe generatoare a t�evilor se face cu viteze de sudare de 15 – 300 m/min. Aceasta determina� o extindere a utiliza�rii t�evilor sudate în detrimentul t�evilor trase, mai scumpe. Sudarea cap la cap se utilizeaza� mai put�in limitându-se practic la domeniul suda�rii t�evilor pentru schimba�toare de ca�ldura�. Sudarea CIF prin topire nu are o aplicare industriala� limitându-se doar la cazul suda�rii unor materiale care necesita� o înca�lzire pe o zona� restrânsa� ca de

1. componente; 2. baie de metal topit; 3. inductor; 4. miez magnetic; 5. h1-3 ina�lt�imea ba�ii de metal topit;

exemplu la sudarea combinat�iilor metal-material ceramic sau în cazul îmbina�rilor cu configurat�ie complicata�. Din cauza costului ridicat al echipamentelor de sudare aplicarea suda�rii CIF este rentabila� la product�ia de serie mare sau masa� care se justifica� prin reducerea costurilor de fabricat�ie prin productivitatea ridicata�, prin reducerea costurilor materiale s�i de energie.

9. Sudarea cu arc rotitor

9.1. Principiul procedeului Sudarea cu arc rotitor este un procedeu de sudare prin presiune cu arc electric. Înca�lzirea pieselor pentru sudare se face cu un arc electric care se rotes�te pe suprafet�ele frontale ale pieselor ce se sudeaza�, sub act�iunea unui câmp magnetic exterior. Dupa� înca�lzirea pieselor la o anumita� temperatura� se comanda� refularea lor, prin care se realizeaza� sudura. În figura 14.8 se prezinta� principiul procedeului de sudare cu arc rotitor. Rotat�ia arcului electric este comandata� de un câmp magnetic radial, fort�a electromagnetica� rezultata� fiind tangenta� la conturul pieselor ce se sudeaza�.

Figura 14.8. Principiul suda�rii cu arc rotitor

9.2. Influent�a câmpului magnetic asupra arcului electric la sudare Daca� un arc electric este supus act�iunii unui câmp magnetic, asupra lui se va exercita o fort�a� electromagnetica� s�i arcul electric va fi deflectat în sensul fort�ei respective. Studiul comporta�rii unui arc electric într-un câmp magnetic este mai dificil decât studiul mis�ca�rii unui conductor electric masiv. În multe situat�ii însa� se aproximeaza� comportarea unui arc electric cu aceea a unui conductor electric. Aceasta� ipoteza� este posibila� pornind de la faptul ca� rezistent�a principala� opusa� deplasa�rii arcului este de natura� aerodinamica�. Coloana arcului se afla� la temperatura� ridicata�, iar întrucât vâscozitatea unui gaz cres�te proport�ional cu ra�da�cina pa�trata� a temperaturii sale absolute este posibil ca o coloana� de gaz calda� sa� se deplaseze printr-un gaz rece fa�ra� sa�-s�i piarda� lega�turile. Un arc electric de intensitate I va executa o deplasare într-un câmp magnetic daca� intensitatea acestui câmp magnetic H depa�s�es�te o valoare minima�. La distant�a dintre electozi “d” sub 1,5 mm, condit�ia de mis�care se poate exprima prin relat�ia:

CdIH >⋅⋅ 2 (14.4) unde “C” este o contanta� de material (de exemplu pentru cupru C = 0,5).

Viteza de rotat�ie a unui arc electric ce se rotes�te pe suprafet�ele a doi electrozi cilindrici, dedusa� în condit�iile echilibrului dintre forta� electromagnetica� s�i fort�a de rezistent�a� aerodinamica�, se poate calcula cu relat�ia:

ScdIBvrot ⋅⋅⋅⋅⋅

=

2 (14.5)

unde: B – induct�ia magnetica�; I – intensitatea curentului; d – distant�a dintre electrozi; c – constanta� aerodinamica�; ?� – densitatea mediului în care se deplaseaza� arcul; S – sect�iunea transversala� a arcului. Stabilitatea rotat�iei arcului depinde de polaritatea curentului. Indiferent de polaritate, nu se poate obt�ine o rotat�ie stabila� a arcului daca� intensitatea câmpului magnetic H este mai mica� decât o valoare minima� Hmin sau este mai mare decât o valoare Hmax. Ambele valori extreme cresc o data� cu cres�terea curentului prin arc. Dependent�a stabilita�t�ii arcului de polaritate este pusa� în lega�tura� cu act�iunea jeturilor de plasma� din coloana arcului. Se apreciaza� ca� jetul de plasma� catodic este mai stabil decât cel anodic. Viteza de rotat�ie a arcului electric depinde de gazul de protect�ie utilizat, figura 14.9.

Figura 14.9. Influent�a gazului de protect�ie asupra vitezei de rotat�ie a arcului

Astfel în cazul utiliza�rii dioxidului de carbon viteza arcului este maxima� datorita� formei sferice a arcului care-i asigura� o rezistent�a aerodinamica� redusa� respectiv mobilita�t�ii mai ridicate a petelor anodice s�i catodice ale arcului, iar în cazul argonului viteza arcului este minima� datorita� formei tronconice a acestuia care determina� o rezistent�a� aerodinamica� mai mare. În CO2 baia topita� are o fluiditate mai mare datorita� oxida�rii ceea ce determina� la timpi de rotire sau curent�i de sudare ridicat�i pericolul producerii de stropiri intense, pe când în argon absent�a oxida�rii cres�te valoarea tensiunii superficiale a ba�ii reducând pericolul stropirilor. Viteza de rotat�ie a arcului se plaseaza� în cazul materialelor feromagnetice în domeniul 200…500 rot/s. Se precizeaza� faptul ca� înca�lzirea pieselor în acest domeniu nu depinde de frecvent�a de rotat�ie a arcului.

Se observa� ca� perioada de ardere a arcului poate fi împa�rt�ita� în urma�toarele etape: a. etapa init�iala� în care are loc o mis�care accelerata� a arcului cu viteza� relativ sca�zura�; b. etapa tranzitorie, marcata� de un salt rapid al vitezei de rotat�ie; c. etapa arderii stabile, caracterizata� printr-o rotat�ie a arcului cu o viteza� practic

constanta�; d. etapa finala� în care se produce o decelerare a arcului.

9.3. Tehnologia suda�rii cu arc rotitor Un ciclu de sudare cu arc rotitor este format din urma�toarele etape, realizate în general automat:

- prinderea-pozit�ionarea pieselor; - amorsarea arcului; - rotirea arcului sub act�iunea câmpului magnetic; - refularea; - scoaterea piesei sudate; Amorsarea arcului electric se face prin atingerea s�i retragerea pieselor la o anumita�

distant�a� (lungimea arcului) sau cu ajutorul unei ioniza�ri prin impusuri de înalta� tensiune. Alimentarea arcului electric se face de la o sursa� de sudare de curent continuu (convertizor sau redresor) cu caracteristica� externa� coborâtoare, pentru us�urarea amorsa�rii arcului se recomanda� ca tensiunea de mers în gol sa� fie de minim 70V.

Pentru rotirea arcului se folosesc bobine de magnetizare. În figura 14.10 se prezinta� câteva solut�ii constructive de bobine.

Figura 14.10. Solut�ii constructive de bobine de magnetizare

Bobinele de magnetizare pot fi magnetizate de curentul de sudare prin înserierea lor în circuitul de sudare sau separat de la o sursa� de curent continuu. Se prefera� a doua varianta� deoarece permite modificarea induct�iei magnetice independent de curentul de sudare. Parametrii tehnologici de sudare La sudarea cu arc rotitor se definesc urma�torii parametrii tehnologici de sudare: a. parametri principali:

Ø curentul de sudare;

a b

c d

Ø timpul de înca�lzire; Ø fort�a de refulare; Ø natura s�i debitul gazului de protect�ie.

b. parametri secundari: Ø tensiunea arcului: Ua = 20-26V; Ø solenat�ia de magnetizare: 1000 ÷ 2000 Asp Ø întrefierul: 2,0±0,5 mm; Ø curentul de refulare: Ir = 1,5·Is; Ø timpul de ment�inere al curentului dupa� refulare: tm = 0÷2s; Ø fort�a de prindere: Fpr = 1,5·Fref; Ø viteza de refulare: 50÷100mm/s pt. ot�el carbon respectiv 150÷200mm/s pt. ot�el aliat.

Sudarea cu arc rotitor se poate realiza în regim moale sau regim dur. Sudarea în regim moale presupune o înca�lzire puternica� cu un timp de înca�lzire relativ mare, peste 5 s, urmata� de refularea cu presiune relativ mica�, 60MPa la ot�eluri carbon. Datorita� înca�lzirii materialului neregularita�t�ile superficiale ale pieselor se elimina� în bavura� sca�zând probabilitatea de aparit�ie a defectelor. În acelas�i timp însa�, cres�te interact�iunea dintre baia de metal topit s�i atmosfera� conducând la contaminarea sudurii. De asemenea în timpul rotirii arcului se pot produce scurtcircuita�ri care perturba� stabilitatea arcului. La regimuri dure, timpul de înca�lzire este scurt 1 – 5 s, iar presiunea de refulare mare 100 – 120MPa, la ot�eluri carbon. Materialul este topit doar superficial, neregularita�t�ile de prelucrare a marginilor ra�mânând în îmbinare. Datorita� refula�rii cu o scurtare relativ mica�, oxizii s�i nitrurile ra�mân în îmbinare ceea ce conduce la fragilizarea îmbina�rii. Ca urmare a vitezelor de ra�cire mari, regimurile dure nu se recomanda� la sudarea materialelor cu tendint�a� de fragilizare prin precipitarea constituent�ilor structurali duri.

9.4. Sudarea cu arc rotitor cu electrod suplimentar Pentru rotirea arcului în câmpul magnetic se foloses�te un electrod suplimentar. Arcul electric este amorsat între componentele de sudat, aflate în contact, s�i un electrod suplimentar nefuzibil, figura 14.11.

Figura 14.11. Principiul suda�rii cu arc rotitor cu electrod suplimentar

Sudarea se produce prin topirea simultana�, sub act�iunea arcului rotitor, a componentelor ce se sudeaza�. Electrodul suplimentar, realizat frecvent din cupru electrolitic, are o forma� asema�na�toare geometriei pieselor. Pentru a evita topirea electrodului acesta este ra�cit cu apa�, ceea ce diminueaza� randamentul procesului. Pentru a asigura reproductibilitatea procesului distant�a dintre componente s�i electrodul suplimentar se ment�ine la valori de 1,5±0,2 mm. Sudarea se realizeaza� fa�ra� material de adaos, iar

timpul de sudare se limiteaza� la valori sub 1,2 s. Utilizarea gazului de protect�ie introdus axial prin interiorul t�evilor cres�te calitatea sudurii. 9.5. Aplicat�ii Aplicarea procedeului de sudare cu arc rotitor se justifica� în cazul product�iei de serie mare sau masa�, obt�inându-se costuri mult mai mici comparativ cu alte procedee.

Sudarea cu arc rotitor se aplica� la sudarea t�evilor din ot�el carbon cu diametrul pâna� la 100 mm s�i grosimea peretelui pâna� la 6 mm. La diametre mai mari pentru a asigura uniformitatea înca�lzirii sunt necesare viteze de rotat�ie ale arcului foarte mari care conduc la instabilitatea procesului de sudare. Cu cres�terea grosimii peretelui t�evii, datorita� neomogenita�t�ii câmpului magnetic pe grosimea peretelui, arcul electric este împins spre zona cu câmp magnetic minim înca�lzind doar o zona� a sect�iunii materialului. În cazul t�evilor din ot�el inoxidabil dimensiunile sunt limitate la un diametru de 50 mm respectiv o grosime a peretelui pâna� la 3 mm. Sudarea se poate aplica s�i la sudarea t�evilor pa�trate sau la sudarea îmbina�rilor t�eava�-flans�a respectiv t�eava� placa�. 9.5.1. Tehnologii cadru de sudare cu arc rotitor

1. Sudarea t�evilor din ot�el carbon (C<0,45%) - densitatea de curent: 1,2÷0,5 A/mm2; - timpul de sudare: 2÷10 s; - induct�ia magnetica� în întrefier: 0,02÷0,05 T; - presiunea de refulare: 60÷120MPa; -nu necesita� gaz de protect�ie; -îna�lt�imea bavurii: =� 0,5 d�; scurtarea la refulare: 1,5÷5 mm. 2. Sudarea t�evilor din ot�el inoxidabil Paricularita�t�i:

a. metalul de baza� amagnetic determina� modificarea configurat�iei câmpului magnetic în întrefier;

b. caracteristicile de rezistent�a mai ridicate necesita� presiuni de refulare mai mari; c. conductibilitatea termica� sca�zuta� a materialului impune modificarea dupa� un

program a curentului de sudare; d. pentru protect�ia materialului este necesara� untilizarea unui gaz inert.

- curentul de sudare reglat dupa� program; - curentul de preînca�lzire: < 100 A; - timpul de preînca�lzire: 3÷20 s; - curentul de sudare: (2÷5)Ipr; - timpul de sudare: =� 1 s; - induct�ia magnetica� în întrefier: 0,04÷0,09 T; - presiunea de refulare: =� 200MPa; -gazul de protect�ie: argon sau amestec de argon cu hidrogen, < 6%H2;

-îna�lt�imea bavurii: =� 0,5 d�; scurtarea la refulare: < 8 mm. 3. Sudarea barelor

Sudarea cu arc rotitor se poate aplica s�i la sudarea cap la cap a barelor rotunde. Asupra unui arc electric amorsat între doua� bare din material feromagnetic cu raza r

act�ioneaza� o fort�a electromagnetica� data� de câmpul magnetic propriu conform relat�iei:

222

2 araIF s −

=πµ (14.6)

unde: a- distant�a de la axa barei la arc; µ�- permitivitatea magnetica� a mediului. Daca� arcul se afla� în axa barei fort�a electromagnetica� are valoare nula�. Ca urmare dupa� amorsare arcul tinde sa� se stabileasca� în axa barei. Prin înca�lzire axi barei peste temperatura punctului Curie (770°�C), arcul se va deplasa radial sub act�iunea câmpului magnetic propriu realizând astfel înca�lzirea pe sect�iune a barelor. Pentru a asigura o ardere stabila� a arcului s�i înca�lzirea uniforma� a sect�iunii se recomanda� rotirea arcului cu ajutorul unui câmp magnetic exterior, prin urmare sudarea cu arc rotitor în regim moale cu timpi de sudare de 15…20 s.