INTRODUCERE ÎN SUDAREA ÎN MEDIU DE GAZ PROTECTOR

Lector

C.F.

Curs

IWE

Cap.

1.6

Pag.

9

9

9

Timişoara

1.6 INTRODUCERE ÎN SUDAREA ÎN MEDIU DE GAZ PROTECTOR

Sudarea în mediu de gaz protector grupează mai multe procedee la care topirea se realizează cu

ajutorul unui arc electric amorsat şi menţinut între capătul unui electrod, care se consumă sau nu şi piesa

care urmează a fi sudată. Metalul topit, atât în timpul transferului de la electrod la piesă, cât şi în baia de

fuziune, este protejat împotriva oxigenului şi azotului din aer cu ajutorul unei perdele de gaz protector ce

se scurge în jurul arcului electric.

Avantaje:

- se aplică atât la sudarea aliajelor feroase cât şi neferoase, prin alegerea judicioasă a gazelor de protecţie

- permite aplicarea variantelor semi-mecanizate, mecanizate şi robotizate- asigură o productivitate ridicată datorită densităţilor mari de curent (150 – 250 A/mm2)- permite deţinerea de îmbinări sudate de calitate- asigură sudarea în poziţii dificile şi introduce tensiuni reduse în îmbinările sudate- asigură o zonă minimă de transformări structurale şi deformaţii relativ scăzute datorită concentrării

energiei arcului electric- prezenţa zgurei în cantităţi scăzute oferă posibilitatea supravegherii permanente a băii metalice şi a

arcului electric- preţ redus în cazul în care se folosesc gaze active (CO2, CO2 + Ar, CO2 + Ar + O2)

În schema din figura 1.6.1. se prezintă clasificarea procedeelor de sudare cu arc electric în mediu de

gaz protector.

WIG – Wolfram Inert Ga S

MIG – Metal Inert Ga S

MAG – Metal Activ Ga S

1.6.1.Fenomene fizice şi principiile procedeelor WIG şi MIG / MAG

În condiţii obişnuite, gazele au o conductivitate nulă, adică sunt izolatoare. Pentru a se produce

descărcarea electrică între electrozi este necesar ca gazele din spaţiul arcului să fie ionizate (să conţină

particule încărcate cu sarcini electrice).

Odată cu amorsarea arcului electric, datorită temperaturii ridicate, se produce ionizarea

termică a gazului de protecţie, formându-se, atât la anod cât şi la catod, electroni şi ioni liberi grupaţi în

zonele anodice şi catodice. Curentul electric este transmis prin coloana de plasmă ( electroni, ioni pozitivi

şi atomi neutri) a arcului între pata catodică şi cea anodică.

În condiţii reale, atmosfera arcului de sudare are mai multe componente. Astfel, în cazul

sudării cu electrod fuzibil, coloana arcului conţine vaporii metalului electrodului. La sudarea cu electrod

nefuzibil cantitatea de vapori este mică şi componenţa plasmei este condiţionată numai de compoziţia

gazului de protecţie.

Cantitatea de căldură se repartizează inegal între anod şi catod. Datorită căderii mari de

tensiune din zona sa, catodul primeşte o cantitate mai mare de energie calorică decât anodul, o parte din

aceasta servind la eliberarea electronilor. Astfel, când se sudează în curent continuu, anodul, fiind supus

în permanenţă bombardamentului electronilor acceleraţi în coloana arcului de câmpul electric, devine

electrodul cel mai cald. Acest fenomen stă la baza alegerii polarităţii electrodului în funcţie de procedeul

de sudare utilizat. Astfel, la sudarea WIG in curent continuu, electrodul nefuzibil este legat întotdeauna la

polul negativ, evitându-se supraîncălzirea şi topirea acestuia. La sudarea MIG / MAG electrodul este

legat, de regulă, la polul pozitiv, fapt ce favorizează topirea metalului de adaos.

Din energia calorică produsă de arcul electric, circa 30% la procedeul WIG şi circa 80% la

MIG / MAG contribuie direct la procesul de sudare, adică la topirea marginilor îmbinării şi a metalului de

INTRODUCERE ÎN SUDAREA ÎN MEDIU DE GAZ PROTECTOR

Lector

C.F.

Curs

IWE

Cap.

1.6

Pag.

9

9

9

Timişoara

adaos, restul se pierde prin conducţie în masa piesei, prin radiaţie şi prin convecţie.

Datorită temperaturilor ridicate ce rezultă în arc se produc vaporizări parţiale bruşte ale

metalului, care are ca efect împroşcarea de picături.

Energiile calorice ce se dezvoltă, tensiunile arcului şi efectele metalurgice variază în funcţie de:

- felul curentului (continuu, alternativ sau pulsat)- polaritate- densitatea curentului- lungimea arcului- tipul gazului de protecţie- diametrul şi compoziţia sârmelor electrod

În figura 1.6.2 se prezintă principiul la sudarea WIG.

Figura 1.6.2

Caracteristici ale procedeului WIG:

- electrod nefuzibil- sursa de curent – cu caracteristica căzătoare- sudare în curent continuu sau alternativ- aplicare în variantele: manuală, semi-mecanizată, mecanizată, automatizată- grad înalt de universalitate – aplicabil practic pentru orice metal de bază- poziţii de sudare – toate- grosime minimă sudabilă – 0,1mm- grosime maximă sudabilă – limitată din considerente economice- calitatea foarte bună a sudurii- rată de depunere scăzută

Valori uzuale ale parametrilor la sudarea WIG, tabelul 1.6.1

Parametrii Domeniul valorilor

Diametrul electrodului nefuzibil 0,5 – 6,3 mm

Curentul de sudare 10 – 300 A

Tensiunea arcului electric 10 – 30 V

Debitul gazului (argon) 5 – 15 l/min

Viteza de sudare 10 – 30 (80) cm/min

Diametrul materialului de adaos 2 – 5 mm

Rata depunerii 1,8 – 5,4 kg/h

Domenii de aplicare:

- sudarea tablelor subţiri- sudarea oţelurilor aliate, a metalelor neferoase sau reactive- sudarea straturilor de rădăcină la sudarea în mai multe treceri – dacă există acces dintr-o singură parte

(ţevi).

INTRODUCERE ÎN SUDAREA ÎN MEDIU DE GAZ PROTECTOR

Lector

C.F.

Curs

IWE

Cap.

1.6

Pag.

9

9

9

Timişoara

În figura 1.6.3 se prezintă principiul la sudarea MIG/MAG cu sârmă plină şi / sau tubulară.

Fig.1.6.3

Caracteristici ale procedeului MIG/MAG

- electrod fuzibil material de adaos- sursă de sudare – caracteristică rigidă (permite autoreglarea arcului electric)- sudare în curent continuu- aplicare în variantele: semi-mecanizată, mecanizată, automatizată, robotizată- grad înalt de universalitate – în varianta MIG aplicabil la majoritatea metalelor- poziţie de sudare – toate- rată a depunerii mare (figura 1.6.4)

Fig. 1.6.4

- grosime sudabilă – minim 1mm, maxim limitat din considerente economice- calitate bună a sudurii- grad înalt de utilizare a materialului de utilizare- dificultăţi la sudarea în aer liber (curenţi de aer)

Valori uzuale ale parametrilor la sudarea MIG/MAG – tabelul 1.6.2

Tabelul 1.6.2

Parametri Domeniul de valori

Diametrul electrodului fuzibil 0,8 – 2,4 mm

Curentul de sudare 60 – 500 A

Tensiunea arcului electric 20 – 30 V

Viteza de sudare 20 – 150 cm/min

Debitul gazului de protecţie 8 – 20 l/min

Rata depunerii 1 – 10 Kg/h

INTRODUCERE ÎN SUDAREA ÎN MEDIU DE GAZ PROTECTOR

Lector

C.F.

Curs

IWE

Cap.

1.6

Pag.

9

9

9

Timişoara

Domenii de aplicare:

- procedeul cu cel mai mare volum de aplicare industrială- tendinţe actuale – sudarea MIG/MAG în locul sudării cu electrozi înveliţi (dar nu în orice situaţie )- sudare MIG – oţeluri aliate, metale neferoase- sudare MAG – oţeluri carbon, oţeluri slab aliate

Utilaje pentru sudare WIG – componenţă în figura 1.6.5

Fig. 1.6.5

Surse de sudare: de c.c sau c.a.

- caracteristică coborâtoare- surse moderne – cu impulsuri

Utilaje pentru sudare MIG/MAG – componenţă în figura 1.6.6

Fig. 1.6.6

- Surse de sudare: c.c. (redresoare): convenţionale

comandate cu tiristoare

comandate cu tranzistoare

INTRODUCERE ÎN SUDAREA ÎN MEDIU DE GAZ PROTECTOR

Lector

C.F.

Curs

IWE

Cap.

1.6

Pag.

9

9

9

Timişoara

1.6.2. Gaze de protecţie

Pentru protejarea metalului topit, la sudarea în mediu de gaz protector se utilizează două tipuri de

gaze:

- gaze de protecţie inerte (argon, heliu)- gaze de protecţie active: hidrogen (reducător ), oxigen, bioxid de carbon şi amestecuri ale acestora cu

argon sau heliu (oxidante)Între unităţile de măsură folosite la exprimarea cantităţii pentru Ar, CO2 şi O2 există interdependenţa

prezentată în tabelul 1.6.3

Unitate de

măsură

Ar CO2 O2

l 1 0,710 1,273 1 0,85 1,667 1 0,88 1,252

Kg 1,4 1 1,784 1,178 1 1,977 1,14 1 1,429

m3 0,79 0,56 1 0,6 0,51 1 0,8 0,7 1

Procesul de sudare poate fi influenţat şi optimizat prin numeroase metode pentru fiecare

aplicaţie în parte prin intermediul gazului protector.

În acest scop, tipul gazului, respectiv compoziţia amestecului de gaze trebuie alese

corespunzător efectului care se doreşte a fi obţinut.

Posibilităţile de optimizare se extind asupra tuturor factorilor de influenţă relevanţi la sudare

1.6.2.1 Proprietăţile fizice ale gazelor

Proprietăţile fizice ale gazelor de protecţie influenţează:

- tipul transferului de material- capacitatea de umectare- pătrunderea şi profilul ei- viteza de sudare- uşurinţa amorsării arcului şi stabilitatea lui

Gazele cu potenţial de ionizare redus, ca argonul, uşurează amorsarea arcului şi îmbunătăţeşte

stabilitatea lui, faţă de gazele cu potenţial de ionizare mai ridicat, ca heliul.

În tabelul 1.6.4. se prezintă proprietăţile fizice pentru gazele de protecţie (energia de ionizare şi

energia de disociere a componentelor multiatomice)

Tabelul 1.6.4

Gaz Energia de

disociere ev/moleculă

Energia de

ionizare ev/moleculă

H2 4,5 13,6

O2 5,1 13,6

CO2 4,3 14,4

N2 9,8 14,5

He 24,6

Ar 15,8

Kr 14,0

Energia de disociere a componentelor multiatomice din amestecuri care se eliberează la

recombinarea lor măreşte transferul de căldură înspre metalul de bază.

INTRODUCERE ÎN SUDAREA ÎN MEDIU DE GAZ PROTECTOR

Lector

C.F.

Curs

IWE

Cap.

1.6

Pag.

9

9

9

Timişoara

1.6.2. Conductivitatea termică

Influenţează:

- formarea cusăturii- temperatura şi capacitatea de degajare a băii metalice- viteza de sudare

La sudarea MIG sau WIG a aluminiului adaosul de heliu, iar la sudarea WIG a unor oţeluri

inoxidabile adaosul de hidrogen, permit mărirea pătrunderii şi a vitezei de sudare

În fig. 1.6.7 se prezintă variaţia conductivităţii termice în funcţie de temperaturi pentru gazele

de protecţie

Fig. 1.6.7

1.6.2.3 Proprietăţi chimice

Influenţează:

- comportarea metalurgică- aspectul suprafeţei metalului depus prin sudare

Oxigenul – pierderi de elemente de aliere

- măreşte fluiditatea băii metalice

Dioxidul de carbon – îmbogăţirea în carbon a materialelor aliate

Argonul şi heliul – inerte din punct de vedere metalurgic

Hidrogenul – efect reducător

Azotul – permite controlul şi modificarea raportului austenită/ferită

1.6.2.4. Gaze utilizate la sudare

Gaze folosite la sudarea WIG:

- Argon (Ar) – la sudarea oricăror metale de bază- Heliu (He) amestecuri Ar + He (He 75%) aluminiu, cupru- Ar + H2 (H2 1 10%) – de oţeluri inoxidabile austenitice,

- la aliaje de nichel

- adausul de H2 duce la mărirea tensiunii arcului mărirea

căldurii generate în arc

INTRODUCERE ÎN SUDAREA ÎN MEDIU DE GAZ PROTECTOR

Lector

C.F.

Curs

IWE

Cap.

1.6

Pag.

9

9

9

Timişoara

Gaze folosite la sudarea MIG/MAG

- Argon (Ar) – toate materialele metalice, fără oţeluri- Heliu (He) – aluminiu, cupru- Ar + He (He 25 75%) – idem He- CO2 – oţeluri carbon şi slab aliate- amestecuri de tip Ar + O2, Ar + CO2, Ar + CO2 + O2

În tabelul 1.6.5 se prezintă domeniile de utilizare a gazelor de protecţie la sudarea MIG/MAG.

Tabel 1.6.5

Procedeu Comportare

chimică

Gaz de protecţie Material de bază

MIG inertă

Ar toate materialele, fără oţeluri

He aluminiu, cupru

Ar + He (25 – 75 %) aluminiu, cupru

MAG oxidantă

Ar + O2 (1 – 3 %) oţeluri inoxidabile

Ar + CO2 (2 – 5 %) oţeluri inoxidabile

Ar + CO2 (6 – 25 %) oţeluri carbon şi aliate

Ar + CO2 (5 –15 %) + O2

(1 –3 %)

oţeluri carbon şi aliate

Ar + O2 (4 –9 %) oţeluri carbon şi aliate

Ar + CO2 (26- 40 %) oţeluri carbon şi aliate

Ar + CO2 (5 – 20%) + O2

(1 –3 %)

oţeluri carbon şi aliate

Ar + O2 (9 – 10 %) oţeluri carbon şi aliate

CO2 oţeluri carbon

În figura 1.6.8 se face o comparaţie între Ar şi He

Fig. 1.6.8

- datorită energiei de ionizare mai mici la Ar, amorsarea, când se utilizează acest gaz, este mai uşoară - datorită energiei de ionizare mai mari la He, şi tensiunea arcului este mai mare (comparativ cu Ar),

rezultând puteri ale arcului mai mari.

1.6.3. Manipularea şi depozitarea gazelor

Gazele de protecţie se livrează atât în stare gazoasă cât şi în stare lichidă, atât sub formă de gaz

cu o singură componentă cât şi sub formă de amestec de gaze.

În cazurile în care amestecurile de gaze se realizează la locurile de utilizare, din gaze

individuale, amestecătorul de gaze trebuie să satisfacă următoarele cerinţe.

INTRODUCERE ÎN SUDAREA ÎN MEDIU DE GAZ PROTECTOR

Lector

C.F.

Curs

IWE

Cap.

1.6

Pag.

9

9

9

Timişoara

- pentru concentraţii ale componentelor cu o valoare de până la 5 % de volum, abaterea admisă este de cel mult 0,5 % de volum faţă de valoarea specificată

- pentru concentraţii ale componentelor cu o valoare cuprinsă între 5 % de volum şi 50 % de volum, concentraţia nu trebuie să aibă o abatere mai mare de 10 % din valoarea specificată.

- purităţile şi punctele de rouă maxime pentru gaze livrate în butelii sau în rezervoare izolate trebuie să satisfacă cerinţele standardelor de produs.

- purităţile şi punctele de rouă pentru amestecuri de gaze trebuie să corespundă gazelor de bază sau amestecurilor de gaze conform standardelor de produs.

- pentru unele materiale – titan, tantal – pot fi cerute gaze cu puritate mai mare, iar specificaţiile se pot stabili prin acord între utilizator şi furnizor

- sistemul de distribuţie a gazelor aflate la utilizator trebuie proiectat şi întreţinut astfel încât puritatea livrată să fie menţionată până la locul de utilizare.

1.6.3.1 Butelii de gaze

Toate gazele şi amestecurile de gaze utilizate la sudarea în mediu de gaz protector se află în

stare gazoasă în cazul în care se livrează în butelii de gaz cu excepţia dioxidului de carbon care este în

stare lichidă

Buteliile de gaze sunt umplute la volumul şi presiunea specificată de furnizor. Presiunea reală

se modifică în funcţie de temperatura ambiantă.

Înainte de utilizare trebuie racordate pe butelii reductoare de presiune adecvate.

1.6.3.2. Lichid

Gazele lichefiate se livrează în stare lichidă, la temperatură scăzută, în rezervoare izolate sau,

în cazul dioxidului de carbon, în stare lichidă la temperatura ambiantă în butelii de gaze. Înainte de

utilizare, gazele lichefiate furnizate trebuie să fie transformate în stare gazoasă.

Pentru a forma amestecuri de gaze din gaze lichefiate, lichidul trebuie să fie transformat în

stare gazoasă înainte de amestecare. Amestecurile Ar – O2 pot fi stocate şi ca pre-amestecuri în stare

lichidă, fără utilizarea unui amestecător pentru furnizare.

Transportarea şi stocarea în fază gazoasă în butelii sub presiune a gazelor are avantajul unei mai

mari manevrabilităţi, facilitând utilizarea la posturile de sudură. Buteliile se pot grupa în butelii, acestea

putând fi utilizate la alimentarea mai multor posturi de sudare.

În cazul unor consumuri importante este avantajos ca gazele să se utilizeze în stare lichidă. În

acest caz livrarea şi stocarea se face în rezervoare izolate termic, la presiune scăzută. Rezervoarele de

stocare sunt legate prin intermediul unor vaporizatoare la reţeaua de distribuţie ce deserveşte un atelier

sau o secţie.

Transportul gazelor car se stochează în rezervoare se face cu ajutorul unor cisterne destinate

acestui scop.

Alimentarea cu gaze de protecţie a posturilor de sudare se poate realiza:

- prin alimentare individuală de la butelie- prin alimentare de la o reţea de distribuţie prin intermediul unei staţii central – în special în cazul unui

număr mare de posturi de sudare.

1.6.4. Materiale pentru sudare

1.6.4.1. Electrozi nefuzibili (Sudare WIG)

Cerinţe:

- capacitate de emisie termoelectronică importantă- temperatură de topire ridicată- rezistenţă la uzură

Aceste cerinţe sunt satisfăcute de wolfram şi aliajele acestuia cu thoriu, cesiu, lantan, zirconiu

INTRODUCERE ÎN SUDAREA ÎN MEDIU DE GAZ PROTECTOR

Lector

C.F.

Curs

IWE

Cap.

1.6

Pag.

9

9

9

Timişoara

Domeniile utilizare ale electrozilor nefuzibili din wolfram sunt redate tabelul 1.6.5

Tabelul 1.6.5

Electrod nefuzibil Domenii de utilizare

Wolfram prin (W 99,5 %) Sudare în c. a. aluminiu şi magneziu

W + oxid de thoriu Sudare în c.c.

W + oxid de cesiu Sudare în c.c. şi c.a.

W + oxid de lantan Sudare în c.c., aplicaţii în domeniul nuclear

Anumite elemente adăugate wolframului în procesul de elaborare a electrozilor, intensifică

emisia electronică. Elementele utilizate cel mai frecvent sunt oxizii de thoriu (ThO2), de zirconiu (ZrO2),

de lantan (LaO2) şi de cesiu (CeO2), cantităţile adăugate variind în funcţie de element între 0,3 şi 4 %.

Adăugarea acestor activanţi ai emisiei facilitează amorsarea arcului electric, ameliorându-i

stabilitatea, creşte durata de viaţă a electrozilor şi reduce riscul de contaminare a sudurilor cu incluziuni

de wolfram.

La diametru egal, electrozii care conţin adaosuri de oxizi pot rezista la un curent de sudare mai

mare decât cei din wolfram pur, deci este posibilă utilizarea unor electrozi de diametru mai mic, în

condiţii date ale curentului electric.

Efectul adaosului de oxizi este mai pronunţat în cazul electrozilor cu diametre mari, datorită

creşterii suprafeţei active acoperite cu un strat de substanţă emitivă.

1.6.4.2. Sârme de sudare

Sudare WIG – Sârme şi/sau vergele

- compoziţie chimică apropiată de cea a metalului de bază

- diametrul – funcţie de grosimea ce se sudează

Sudare MIG/MAG – sârme

- compoziţia chimică: - apropiată de cea a metalului de bază mai ales la sudarea MIG- cu elemente dezoxidante - la sudarea MAG

- diametre: 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,6; 2,0; 2,4; - suprafaţa cuprată (la MAG pentru oţeluri carbon şi slab aliate)

1.6.5. Standarde pentru gaze de protecţie şi materiale pentru sudare

SREN 759 – Materiale pentru sudare. Condiţii tehnice de livrare a metalelor de adaos pentru sudare.

Tipul produsului, dimensiuni, toleranţe şi marcare.

SREN 26848 – Electroni de wolfram pentru sudare cu arc electric de gaz inert şi pentru sudare şi tăiere cu

plasmă.

STAS 1126 – 83 – Sudarea metalelor. Sârmă plină din oţel pentru sudare

SREN 1668 – Materiale pentru sudare. Vergele, sârme şi depuneri prin sudare pentru sudarea WIG a

oţelurilor nealiate şi a oţelurilor cu granulaţie fină.

SREN 440 – Materiale pentru sudare consumabile. Sârme electrod şi depuneri prin sudare pentru sudarea

cu arc electric în mediu de gaz protector cu electrod fuzibil a oţelurilor nealiate şi cu granulaţie fină.

SREN 758 – Materiale pentru sudare. Sârme tubulare pentru sudare cu arc electric cu sau fără gaz

protector a oţelurilor nealiate şi cu granulaţie fină.

STAS 10 019-85 – Sudarea metalelor. Sârma din aluminiu şi aliaje de aluminiu pentru sudare.