ECHIPAMENTE PENTRU SUDAREA IN BAIE DE ZGURĂ – SBZSudarea în baie de zgură SBZ se bazează pe dezvoltarea căldurii prin effect Joule-Lenz prin

trecrea unui current de sudare Is relativ mare prin zgura topită cu rezistenţă electrică mare dar cu proprietăţi de conductibilitate bună prin încălzirea peste o anumită temperatură. Baia de zgură transformă energia electrică în energie termică care produce topirea componentelor şi a materialului de adios, respectiv asigură protecţia metalului topit împotriva pătrunderii gazelor din mediul înconjurător.

O instalaţie de sudare SBZ se compune din următoarele subanasamble:- sursa de sudare- dispozitivul de avans al sârmei electrod;- tractorul (automatul) de sudare;- capul de sudare;- patine din cupru răcite cu apă.

In funcţie de principiul de funcţionare, determinat de numărul capetelor de sudare si de forma materialului de adaos exista mai multe variante de echipamente de sudare SBZ, figura de mai jos.

a b c d1. Echipament pentru sudarea cu sârmă electrod cu un cap de sudare, fig. “a”, pentru sudarea componentelor cu grosimi de până la 50-60mm.2. Echipament pentru sudarea cu sârmă electrod cu 3 capete de sudare, fig. “b”, (cu mai multe capete de sudare) pentru sudarea componentelor cu grosimi de până la 500mm. In acest caz este necesară în plus pendularea transversală a capetelor de sudare pentru uniformizarea temperaturii băii de zgură. Mişcarea de pendulare este completată cu staţionarea în poziţiile limită ale pendulărilor.3. Echipament de sudare cu electrod de tip ajutaj fuzibil, fig. “c”, realizat din acelaşi material ca si sârma electrod. Materialul ajutajului se topeşte în baia de zgură şi prin aceasta are loc reducerea consumului de material de adaos sub formă de sârmă. Ajutajul este fix si este prevăzut cu găuri avînd şi rolul de ghidare a sârmei electrod antrenată cu ajutorul dispozitivelor de avans DAS.4. Echipament de sudare cu electrozi plăci, la piese cu grosimi mari de pâna la 1000mm. La secţiuni foarte mari, 1 … 2 m au fost reallizate instalaţii cu pînă la 18 sârme electrod.5. Echipament de sudare SBZ cap la cap pentru bare, fără material de adaos. Zgura topită produce topirea capetelor barelor după care are loc presarea acestora ceea ce conduce la eliminarea stratului de metal topit şi a zgurii şi la formarea sudurii. Procedura seamănă cu sudarea electrică prin presiune cap la cap.

Condiţia de bază pentru asigurarea stabilităţii procesului de sudare SBZ este asigurarea condiţiei ca volumul materialului de adaos să fie egal cu volumul băii de sudură, adică:

vae x Se = vs x Sb

unde:- vae – viteza de avans a electrodului;- Se – secţiunea sârmei electrod;- Vs – viteza de sudare;- Sb – secţiunea băii metalice (Sb = s x b; s-grosimea tablei; b-lăţimea rostului)

Stabilitatea topirii

Procesul topirii decurge stabil dacă temperatura băii de zgură rămâne constantă în timp, respective dacă eventualele variaţii ale temperaturii ce pot apărea la sudare se anulează în timp.Temperatura băii de zgură se stabilizeză conform bilanţului termic dintre cantitatea de căldură introdusă Qi, respectiv cea evacuată Qe.

Căldura introdusă (puterea introdusă Pi) este produsă prin effect Joule – Lenz la trecerea curentului de sudare prin baia de zgură de rezistenţă R.

Căldura evacuată (puterea evacuată Pe) corespunde pierderilor de căldură prin conductibilitatea termică în piese şi în patinele de Cu răcite cu apă respective prin convecţie (nu sunt pierderi prin stropiri).

Pentru calculul lui Pi se foloseşte relaţia:

unde:- Λ – conducranţa băii de zgură (Λ=1/R);- λ – conductibilitatea electrică a zgurii (λ = 1/ρ);- Si – secţiunea echivalentă de trecere a curentului de sudare prin baia de zgură, care variază

direct proporţional cu lungimea scufundată a sârmei electrod în baie, vezi figura;- li – lungimea liniei de current medii prin baia de zgură, care variază invers proporţional cu

lungimea scufundata a sârmei electrod în baie;- U – tensiunea de sudare dintre electrod şi piesă.

Curba de variaţie a Pe cu temperature depinde de dimensiunile băii, de schimbul de căldură cu componentele de sudat, cu baia metalică, cu patinel de Cu răcite, de viteza de avans a electrodului, de radiaţia în atmosferă. Cele două curbe Pi = f(T) şi Pe = f T) se pot intersecta 2 puncte. Regimul posibil de funcţionare se găseşte în punctele unde Pi = Pe, cazul 1.

Ca şi la studiul stabilităţii arcului electric analizat anterior se poate demonstra mathematic şi fenomenologic că punctual B este un punct de funcţionare stabil, iar punctual A este un punct de funcţionare instabil.

In practica sudării SBZ se pot ivi încă 2 cazuri de poziţionare reciprocă a celor două curbe.Cazul 2. Exista un singur punct de intersecţie – A’ – punct instabil de funcţionare.Orice variaţie de temperatură este defavorabilă:

- variaţie la stînga rezulta răcirea băii de zgura;

- variaţie la dreapta rezultă creşterea nelimitată a temperaturii băii; Cazul 3. Nu există nici un punct de intersecţie, caz imposibil de funcţionare.Conductivitatea electrică a fluxului topit creşte cu creşterea temperaturii începând de la o

valoare minimă T = 1000 … 1100ºC. Cu cât conţinutul în fluorină creşte cu atât şi conductibilitatea λ creşte mai repede.

La creşterea temperaturii băii de zgură sârma se topeşte mai repede şi prin urmare lungimea scufundată a sârmei lsc scade. Acest fenomen este cu atât mai pronunţat cu cât diametrul sirmei electrod este mai mic deoarece la secţiuni mici variaţia dimensiunilor sîrmei e mai mare decît la secţiuni mari, pentru aceeaşi cantitate de metal topit.

Creşterea temperaturii băii de zgură are deci efecte contrare asupra conductivităţii λ zg şi a raportului Si/li. De aceea uneori λzg creşte cu creşterea temperaturii, iar în altele să scadă.

Analizind expresia se constată că la creşterea temperaturii băii cu ΔT rezultă că λi creşte respective lsc scade

ceea ce conduce la creşterea lui li respective la scăderea lui Si rezultând că raportul Si/li scade. La sudarea SBZ cu electrozi de secţiune redusă, Λ scade cu creşterea temperaturii băii ceea ce

este echivalent cu scăderea puterii Pi. Rezultă că pentru aceşti electrozi apare un fenomen de autoreglare. Rezultă că procesul de sudare decurge stabil chiar dacă apar unii factori perturbatori şi chiar dacă sursa de alimentare are o caracteristică externă rigidă, deci menţine tensiunea U constantă.

Numai la sudarea cu electrozi masivi se impune uneori necesitatea alimentării de la surse cu caracteristică exterioară uşor coborâtoare necesară pentru a putea intervene şi sursa prin modificarea U la borne în stabilitatea procesului de topire. Sursele cu caracteristică externa rigidă sunt corespunzătoare şi deoarece ele evită posibilitatea apariţiei arcului electric între vârful electrodului şi baia metalică prin tensiunea relative joasa ce o asigură permanent. Acest arc electric nu este de dorit căci aruncă în exterior zgură topită, neuniformizează stratul de zgură şi influenţează negative modul de desfăsurare al procesului de sudare. Tot pentru aceasta se iau şi măsuri tehnologice:

- fluxuri cu calităţi stabilizatoare reduse prin introducerea fluorinei;- baie de zgură adâncă.

Fluxurile pentru SBZ trebuie să mai aibă şi o temperatură ridicată de fierbere. Ele nu trebuie să emane gaze la temperaturi ridicate deoarece ar duce la o turbulenţă a băii de zgură ceea ce deranjează sudarea. Fluxurile trebuie să fiarbă liniştit cu o oarecare agitaţie internă redusă care serveşte concomitant şi ca un bun regulator al temperaturii băii.

Surse pentru sudare SBZAşa cum s-a observat sursele de sudare SBZ nu trebuie să îndeplinească acele condiţii speciale

specifice sudării cu arcul electric şi anume aprinderea şi întreţinerea arcului.Pentru trecerea rapidă de la regimul de sudare cu arc (de la începutul procesului) la regimul

normal (cu arc stins) sunt necesare următoarele condiţii:- tensiune de mers în gol U0 redusă, ceea ce presupune o sursă cu caracteristică externă rigidă şi

de current alternative;- o rezistenţă ohmică în parallel cu arcul electric pentru şuntarea acestuia; această rezistenţă este

asigurată de baia de zgură.Sursele pentru sudarea SBZ pot fi de 3 tipuri:

1. Transformatoare. Constituie sursa de bază la sudarea SBZ deoarece satisface în cele mai bune condiţii cerinţele impuse la sudare (prezentate mai sus). Transformatoarele utilizate au caracteristică rigidă şi se caracterizează prin randament şi factor de putere ridicate, fiabilitate maximă, preţ decost şi greutate minime. In acest caz tensiunea de mers îngol este raliv redusă şi egală cu tensiunea de sudare. Forma caracteristicii favorizează parţial şi fenomenul de autoreglarla sudarea SBZ. Pentru încărcarea simetrică a reţelei de alimentare se recomandă utilizarea transformatoarelor trifazate şi lucrul cu 3 sârme în toate cazurile posibile determinate de grosimea componentelor de sudat. La grosimi mici se utilizează trasnsformatoare monofazate caz în care se lucrează cu o sârmă electrod2. Surse de current continuu de tip generator rotativ sau redresor, cu caracteristică externă rigidă utilizate în principal ca surse de sudare multipost. Aceste surse pot fi utilizate doar în cazuri de excepţie în lipsa sursei de bază care este transformatorul. In acest caz instalaţiile SBZ se mai utilizează şi la sudarea cu alte procedee, fiind neeconomic să avem două surse de sudare. Aceste surse însă au mai multe dezavantaje la sudarea SBZ:- favorizează amorsarea şi întreţinerea unui arc electric ceea ce nu este de dorit;- sunt mai scumpe şi mai puţin viabile;- impune utilizarea unor fluxuri speciale care să nu favorizeze reamoesarea arcului electricîn timpul procesului de sudare (fluxuri cu multă fluorină).3. Surse de current alternative de frecvenţă ridicată. Aceste surse de sudare sunt mai scumpe cu 50 .. 100% decît sursele de tip transformator standard. Prezintă însă unele avantaje certe cum ar fi:- datorită efectului pelicular mult amplificat la frecvenţe mai mari de 8000 … 10000Hz, rezistenţa electrică a capătului liber creşte de aprox. două ori şi prin urmare la acelaşi current se măreşte coeficientul de topire fără să crească curentul de sudare, ceea ce conduce la creşterea productivităţii procedeului. Se precizează că mărirea exagerată a curentului la sudarea SBZ pentru creşterea ratei depunerii nu este recomandată deoarece conduce la creşterea adîncimii băii de metal topit favorizînd pericolul fisurării ca urmare a unui coefficient de formă necorespunzător, fisurare care se produce în faza de cristalizare a băii chiar în axa sudurii;- la aceste frecvenţe de lucru dimensiunile transformatorului sunt mult mai reuse şi greutatea este micşorată ceea ce permite montarea acestuia pe echipamentul care poartă aparatul şi capul de sudare.

Reglarea automată a procesului de sudare SBZMenţinerea neschimbată a regimului de sudare sau modificarea lui după un anumit program snt

condiţii de bază pentro obţinerea unor suduri de calitate. Abaterile ce pot apare la sudare se datoresc următorilor factori:

- modificare deschiderii rostului datorită prelucrării sau asamblării neglijente sau datorită închiderii rostului sub acţiunea tensiunilor interne;

- modificări în zona sudării datorită variaţiilor proprietăţilor fizico-chimice ale zgurii sau sârmei electrod;

- modificări ale vitezei de avans a sârmei sau ale vitezei de sudare;- modificări ale lungimii capătului liber a sârmei;- modificări datorate contactului instabil dintre sârma electrod şi duza de contact;- modificări datorate variaţiilor tensiunii reţelei sau a parametrilor circuitului de sudare.

Aceşti factori pot fi de scurtă durată, periodici sau aperiodici. Unii din ei pot fi compensaţi prin reglarea automată (factorii 6, 1, eventual 3).

Ca şi la sudarea SF, la sudarea SBZ există fenomenul de autoreglare când se lucrează cu viteza de avans a sârmei constantă, vae = ct. şi sursele au caracteristică externă rigidă; in acest caz la variaţii mici ale rigimului de topire corespund variaţii mari ale curentului ceea ce conduce la restabilirea rapidă a echilibrului iniţial.

Sistemele de reglare automată SRA pot fi clasificate după parametrii care le dirijează:- modificarea vitezei de topire a sârmei electrod prin modificarea simultană a tensiunii şi

curentului de sudare;- modificarea vitezei de topire a sârmei electrod prin modificarea unui singur parametru Us sau Is

- reglarea nivelului băii prin modificarea corespunzătoare a vitezei de sudare sau a vitezei de avans a sârmei electrod.Experimental s-a demonstrat că cel mai bun SRA este reglarea nivelului băii prin modificarea

vitezei de sudare, adică modificarea vitezei de deplasare a aparatului SBZ în lungul sudurii. Dpdv al parametrilor energetici s-a constatat că tensiunea sursei trebuie să rămână constantă sau să se modifice după program cu ajutorul unui system de comandă. Modificarea vitezei de avans a sârmei nu este de dorit deoarece aceasta conduce la modificarea implicită a curentului de sudare (cu consecinţe asupra pericolului de fisurare în axa sudurii), respective procesul de sudare SBZ lucrează bine prin fenomenul de autoreglare care implcă viteza sîrmei constantă.

Reglarea nivelului băii de metal topitMenţinerea constantă a nivelului băii faţă de patinele de cupru presupune egalitatea:

vae x Se = vs x Sb

Există 3 posibilităţi de reglare a vitezei de sudare, vs din relaţia de mai sus:- metoda cu termocuple diferenţiale, a;- metoda cu izotopi radioactivi, b;- metoda cu sondă orizontală, c.

Metoda cu termocuple diferenţiale, a. In atina răcită cu apă se montează la două nivele diferite 2 termocuple înseriate în opoziţie. Diferenţa tensiunilor termoelectromotoare a termocuplelor este practic proporţională cu poziţia relativă a celor două termocuple faţă de nivelul băii metalice. In funcţie de această tensiune se comandă motoreductorul de current continuu care modifică viteza de sudare sau de ridicare a patinelor pînă la restabilirea echilibrului. Metoda este simplă şi ieftină dar comportă următoarele dezavantaje:

- necesită un amplificator de semnal de c.c. puternic deoarece valoarea tensiunii termoelectromotoare măsurate este foarte mică;

- rezultatele măsurătorii (mărimea semnalului) depind de debitul apei de răcire al patinelor, de grosimea scoarţei de zgură ce se formează sub patine;

- fiablitate redusă prin deteriorarea termocuplelor datorită temperaturii ridicate la care lucrează (chiar topirea termocuplelor la limită).Din aceste motive aplicarea metodei este redusă.

Metoda cu izotopi radioactivi,b. Se bazează pe atenuarea diferită a radiaţiei γ emise de izotopul în metalul topit respectiv

în zgură. Radiaţiile sunt attenuate mult mai puternic în metal decât în baia de zgură. Variaţia intensităţii radiaţiei se măsoară cu ajutorul unui contor Geiger - Mȕller. Semnalul de ieşire din contor devine semnalul de comandă pentru blocul care alimentează motorul de ridicare al patinelor de cupru. S-a demonstrate experimental că prin această metodă s-a menţinut constant nivelul băii metalice cu o toleranţă de ±2 mm la o sudură cu grosimea de 120mm..Aplicabilitatea industrială a metodei este redusă deoarece apare pericolul de iradiere a personalului, respective complicaţii legate de sistemul de protecţie.Metoda cu sondă orizontală, c. Măsoară variaţia tensiunii băii de zgură (care este proporţională cu înălţimea băii) cu o sondă din Cu răcită cu apă care este montată într-una din patine prin nişte bucşe

izolante. Pentru funcţionarea sistemului este necesar să fie bine ales debitul apei de răcire din sondă şi din patină. La debit redus există riscul topirii sondei şi a patinei, iar la debit prea mare există riscul solidificării zgurii pe vârful sondei care constituie un element isolator între sondă şi baia de zgură.

Tensiunea dintre sondă şi piesă determinată de variaţia tensiunii pe coloana de zgură se aplică prin lampa de semnalizare h1 înfăşurării primare a transformatorului ridicător de tensiune TRT. Miezul TRT se dimensionează astfel încât la o tensiune de aprox. 7-8V să fie saturat magnetic. Astfel pentru valori ale tensiunii mai mari de (7-8V) fluxul în miezul magnetic nu mai creşte şi nici U 2. Raportul de transformare k = 1 … 10.

Tensiunea U2 a TRT este redresată cu puntea PR2 şi se aplică rezistenţei R2. Puntea redresoare PR1 alimentată de la o tensiune stabilizată asigură o variaţie ΔU = ct. pe potenţiometrul reglabil R1. Diferenţa ΔUR1 – ΔUR2 culeasă între punctele a şi b alimentează excitaţia unui generator de C.C. de construcţie specială numită amplidină. Aceasta este o maşină amplificatoare de C.C. cu factor de amplificare ridicat. Ea alimentează motorul de C.C. care deplasează patinele şi capul de sudare pe verticală.Mod de lucru. Dacă tensiunea Usondă = 0 rezultă că sonda a atins baia metalică ceea ce conduce la ΔUR2

= 0 şi prin urmare excitaţia amplidinei AM este alimentată cu tensiunea maximă Umax. = ΔUR1. Rezultă că motorul de c.c. va acţiona rapid patinele pe verticală. Pe măsura ridicării lor ΔUR2 creşte şi rezultă că semnalul aplicat amplidinei AM scade cea ce conduce la încetinirea mişcării motorului de c.c. care ridică patinele. Când ΔUR1 = ΔUR2 motorul de c.c. se opreşte şi prin urmare şi ridicarea patinelor.

Dioda D1 are ca scop menţinerea tensiunii la valoarea zero chiar când ΔUR2 > ΔUR1. Bobina L limitează valoarea curentului de scurtcircuit prin sondă când aceasta atinge baia metalică. Legătura sondei (prin a1 şi L) la duza de contact a sârmei este necesară pentru evitarea cazului de avarie determinat de izolarea electrică a sondei sau de ieşirea ei din baia de zgură. Dacă nu ar fi existat legătura la avarie sonda ar fid at un semnal zero şi atunci ΔUR2 = 0 ceea c ear fi dererminat ridicarea patinelor cu viteză maximă în loc să le oprească. În prezenţa legăturii, la ieşirea sondei din baia de zgură sau la izolarea ei cu o peliculă solidă de zgură, transformatorului TRT I se aplcă tensiunea de la bornele transformatorului de sudare (nx10) ceea ce determină ΔUR2 > ΔUR1 care conduce la oprira motorului de ridicare a patinelor. Experimental s-a arătat că acest system asigură o toleranţă de ±2 mm a nivelului băii de zgură faţă de marginea patinelor.Construcţia patinelor. Patinele inched spaţiul dintre componente de sudat unde se dezvoltă baia metalică şi baia de zgură. Strângerea lor pe componente se realizează cu resoarte şi suspensii articulate. Patinele trebuie răcite intens cu apă. Ele se execută din Cu electrolytic. Există două tipuri de patine, rigide şi elastice.

Patinele rigide se folosesc la sudarea cap la cap a plăcilor drepte sau a celor cu rază de curbură constantă la care abaterea dela planeitatea pieselor de sudat nu depăşeşte 1,5 … 2mm.Patinele elastice se folosesc unde abaterea este mai mare, până la 2 … 6mm. Patinele elastice sunt de două tipuri: crestate şi articulate. Patinele crestate sunt formate din tălpi masive de Cu prevăzute cu 2 crestături adânci şi paralele cu direcţia de deplasare. La locul crestăturii grosimea patinei este foarte mică, conferindu-I o oarecare elasticitate. Etanşeitatea patinei la piesa de sudatse asigură prin loviri cu ciocanul chiar în timpul sudării.Patinele articulate se compun dintr-un element central şi două elemente laterale legate prin eclise sau articulaţii. Datorită articulaţiilor şi a furtunelor de cauciuc patinele se presează pe suprafeţele laterale ale componentelor de sudat. Uneori se mai foloseşte un system de patine format din 2 plăci puse în contact pe una dintre suprafeţele lor laterale. Construcţia este astfel realizată încât plăcile pot să se deplaseze una faţă de cealaltă fără să se peardă etanşeitatea. Cea mai reuşită soluţie însă este cea cu patine articulate.Forţa de apăsare a patinelor pe componente trebuie aplicată într-un singur punct pe fiecare patină, la partea superioară a băii de zgură.Tipuri constructive de echipamente pentru sudarea SBZ

Exista o varietate mare de echipamente SBZ:- aparate cu şine la care deplasarea în lungul cusăturii se face pe coloane paralele cu sudura;- aparate ce se deplasează direct pe componente şi care se fixează pe acestea pe cale mecanică pe

margine rostului unei piese sau pe aripa unui cornier prins provizoriu pe componente;- aparate magneto-păşitoare transportabile ce se deplasează direct pe componente şi se fixează pe

acestea cu electromagneti păşitori.Primele 2 variante sunt destinate pentru sudarea pieselor cu grosimi de 40 … 400 mm sau mai

mari, cu unul sau mai mulţi electrozi. Variana 3 se recomandă la sudarea pieselor relative subţiri cu grosimi sub 100mm, cu una sau 2 sârme.

Aparatele SBZ trebuie să efectueze un minim de operaţii:- formarea dirijată a cusăturii;- aducerea sârmelor în baia de zgură;- deplasarea aparatului de-a lungul rostului;- pendularea sârmelor în baia metalică la piesele groase.

Primele 3 operaţii sunt realizate de mecanisme speciale acţionate de motoare, unul sau mai multe. Acţionarea separată a acestor operatii este mai avantajoasă deoarece creşte siguranţa în exploatare şi relarea este mai simplă.

In general mecanismele folosite în construcţia EPSBZ trebuie să îndeplinească următoarele condiţii:

- asigurarea unor viteze diferite, reglabile ( prin varierea turaţiei ooarelor de c.c. sau prin folosirea de roţi dintate interschimbable la motoatele ce c.a.;

- viteza de deplasare pe verticală să fie reglabilă automat funcţie de nivelul băii de zgură sau a băii metalice;

- mecanismul de deplasare pe verticală trebuie să asigure 2 game de viteze: una corespunzătoare vitezei de sudare, respective pentru viteza de poziţionare a patinelor, care este aprox. de 10ori viteza de sudare;

- acelaşi mechanism trebuie să fie astfel încât puterea motorului de acţionare pe verticală să acopere greutatea proprie a sistemului şi frecarea patinelor de componente. Se aprciază că forţa de frecare pe o patină este de aprox. 100N;

- viteza de avans a sârmei electrod este de obicei ct.; cu oate acestea se preferă pentru acţionarea sârmei motoare ce c.c. cu turaţie reglabilă pentru uşurarea fazei iniţiale de amorsare a arcului electric la începutul pornirii procesului;

- mecanismul de deplasare transversală a capului de sudare trebuie să asigure viteza de deplasare între 20 … 60m/h cu staţionări în dreptul patinelor de 2 … 6 s.