SUDAREA ELECTRICA PRIN PRESIUNE

SUDAREA ELECTRICA PRIN PRESIUNE

1. Probleme generale

Sudarea este operatia de imbina­re nedemontabila a doua sau mai multe piese sub influenta caldurii. Totalitatea operatiilor tehnologice necesare realizarii acestei imbinari constituie procedeul de sudare al carui rezultat este sudura propriu-zisa.

Procedeele de sudare a pieselor metalice se pot imparti in doua mari grupe si anume: procedee de sudare prin presiune (deformare plastica) si procedee de sudare prin topire. In ambele cazuri este necesara o energie termica furnizata din exterior (arzatoare cu flacara, arc electric, reactii chimice exoterme etc.) pentru a se asigura in­terpatrunderea retelelor cristaline ale materialelor de imbinat.

La sudarea prin presiune, deformarea retelei cristaline conduce la o crestere a energiei potentiale a atomilor si pentru a reveni la o stare energetica stabila se impune transformarea acestei energii in energie cinetica. Conversia energiei este favorizata de marirea mobilitatii atomilor, adica de incalzirea pieselor care se sudeaza. Din aceasta cauza, deformarea plastica este insotita de trecerea curentului electric prin zona de contact dintre piese, rezultand o cantitate de caldura prin efect Joule-Lenz.

Incalzirea se recomanda a se face inaintea si in timpul deformarii, deoarece cresterea temperaturii in zona de contact reduce efortul de compresiune, marind in acelasi timp rezistenta mecanica a imbinarii.

Efortul de compresiune aplicat din exterior serveste la:

- aducerea pieselor in contact intim si realizarea deformarii plastice necesare;

- inlaturarea stratului superficial de impuritati;

- obtinerea unei imbinari compacte, fara goluri si cu tensiuni mecanice reduse;

- eliminarea metalului topit dintre piesele de sudat, la proce­deele la care topirea are loc in spatii deschise.

In functie de temperatura maxima atinsa de zonele in ca­re are loc sudarea, distingem:

- sudarea la rece;

- sudarea la cald in stare solida (prin rezistenta);

- sudarea la cald cu topire (prin scantei).

Sudarea la rece are loc la o temperatura a zonei de con­tact mai mica decat cea de recristalizare, iar sudarea la cald in stare solida are loc la temperaturi cuprinse intre cea de recristalizare si cea de topire. Daca temperatura suprafetelor in contact este mai mare decat cea de topire, atunci ne situam in cel de al treilea caz cand apar scantei in zona imbinarii.

Su­darea prin presiune, in functie de procedeul de lucru ales, poate fi cap la cap, prin puncte, cu role, cu energie inmagazinata, cu ultrasunete etc.

2. Sudarea cap la cap

Sudarea cap la cap se realizeaza la cald in stare so­lida sau cu topire. In primul caz, capetele pieselor bine prelucrate sunt adu­se in contact si li se aplica un efort de apasare. Apoi, se co­necteaza sursa de alimentare cu energie electrica si, dupa atinge­rea starii plastice a capetelor aflate in contact intim, se mareste efortul de apasare, ceea ce are ca rezultat refularea metalului si deci, sudarea pieselor. Imbinarea obtinuta contine impuritati de la suprafetele li­mitrofe si oxizii formati in timpul incalzirii.

Procedeul descris fiind destul de costisitor (se prelucrea­za mecanic suprafetele in contact) se utilizeaza numai la imbina­rea barelor cu diametre sub 20mm sau a tevilor cu diametre mici si pereti grosi.

Sudarea cap la cap cu topire se poate executa in mai multe variante, dar cea mai des intalnita este cea cu topire intermedia­ra in trei stadii succesive (fig.15.1) si anume: preincalzirea(1), topirea(2) si refularea(3).

Preincalzirea are loc prin aducerea in contact si prin presarea pieselor, ca si la sudarea in stare solida. Datorita presiunii p de valoare ridicata, rezistenta de contact este mica si apare un curent intens incat preincalzirea se face fara topire.

Treptat capetele pieselor se incalzesc, iar proeminentele in contact ating temperatura de topire si apar punti de metal lichid intre acestea. O astfel de punte (fig.15.2) este supusa la urmatoarele eforturi:

- tensiunea superficiala F_s care tinde sa mareasca diametrul d puntii de metal lichid;

- forta de contractie F_c generata de efectul de atractie din­tre caile elementare de curent parcurse in acelasi sens de curen­tul de sudare;

- forta electrodinamica de atractie F_a dintre doua bucle ve­cine;

- forta datorata efectului de bucla F_b al curentului electric ce tinde sa mareasca   conturul circuitului electric.

La cresterea curentului, fortele de atractie si (mai ales) contractie devin preponderente, sectiunea puntii scade si in cele din urma se atinge temperatura de vaporizare a metalului. Vaporii de metal, inclusiv gazele formate, ating o presiune capabila sa in­vinga tensiunea superficiala si are loc o imprastiere a metalului sub forma de scantei.

Printr-o apropiere continua a pieselor se formeaza noi punti de metal topit si incepe cea de a doua faza, topirea, caracterizata printr-o ploaie continua de scantei. In acest timp zona incandescenta se extinde tot mai mult pana ce cuprinde intreaga suprafata frontala a pieselor. Cand capetele sunt suficient de in­calzite se trece la cea de a treia etapa, refularea, aplicandu-se o presiune suficienta pentru a avea loc sudarea.

3. Sudarea prin puncte

Sudarea prin puncte inlocuieste nituirea si se aplica la imbinarea, prin suprapunere, a tablelor metalice. Cele doua pie­se sunt aduse in contact si in zona imbinarii se aplica un efort de compresiune prin intermediul a doi electrozi cilindrici, care sunt conectati la secundarul unui transformator de forta.

Sudura este de calitate atunci cand nucleul central al zo­nei ce se sudeaza (punctul de sudare) atinge temperatura de topire (fig.15.3). Diametrul acestui punct d_n este aproximativ egal cu diametrul de sprijin al electrodului si se determina cu:

in care g este grosimea materialului de sudat, mm].

Pentru a impiedica tasnirea metalului topit din nucleul incalzit, este necesar ca acesta din urma sa fie inconjurat de un inel cu diametrul d_in in interiorul caruia tablele se ating etans. Prin com­primare, electrozii produc in material imprimari cu adancimea de:

D g

Examinand campul termic in stadiul final al sudarii se constata ca temperatura maxima se atinge in zona de contact a tablelor ( 1200°C), intrucat rezistenta de contact este mai mare decat cea corespunzatoare zonelor electrod-piesa. Pentru a intensi­fica transmisia caldurii in apropierea electrozilor, acestia se racesc cu apa.

Viteza de transmitere a caldurii depinde de fluxul termic q si din analiza curbelor de incalzire (fig.15.4-a) trasate pen­tru curenti de sudare diversi se observa ca temperatura de sudare q_s poate fi atinsa numai daca fluxul termic mediu F_med depaseste o valoare minima F_min. Trebuie de precizat ca fluxuri termice ridicate asigura viteze de incalzire mari, deci consumuri de energie electrica reduse pentru realizarea aceluiasi punct de sudare.

Ecuatia de bilant termic la un proces de sudare prin punc­te este de forma:

, [J]

unde: Q_u - cantitatea de caldura utila, necesara incalzirii si topirii unui nucleu de metal cu diametru d_m si grosime 2d

- pierderi de caldura;

Q_c - pierderi de caldura prin conductie in materia­lul pieselor de sudat;

Q_r - pierderi de caldura prin convectie si radiatie in mediul ambiant;

Q_a- pierderi de caldura prin electrozii raciti cu apa.

Pierderile de energie termica sunt direct proportionale cu durata ciclului de sudare (fig.15.4-b) si pentru timpi de ac­tionare mici sunt neglijabile in raport cu caldura utila.

Timpul necesar sudarii unui punct depinde de grosimea si proprietatile fizice ale materialului de sudat, de puterea masi­nii de sudare si de efortul de compresiune. Orientativ, durata de sudare a unui punct se poate considera egala cu o secunda pentru fiecare milimetru grosime de tabla (din otel slab aliat).

Din punct de vedere constructiv, utilajele destinate suda­rii prin presiune (masinile de sudare) contin o parte mecanica si una electrica. Partea mecanica (fig.15.5) serveste la prinderea pieselor si asigura efortul de apasare al electrozilor pe zona de imbinare. Actionarea dispozitivelor de compresiune poate fi pneumatica, hidraulica sau manuala. Partea electrica are ca element principal un transformator de putere cu 412 trepte de reglaj pe primar, ceea ce asigura o plaja suficient de larga pentru curentul de sudare.

In cazul in care procedeul de sudare necesita timpi foarte exacti de actionare, cu un numar repetat de cicluri de functionare, atunci intre retea si transformator se monteaza un contactor cu ignitroane sau tiristoare comandat de un releu electronic de timp.

4. Caracteristicile electrice ale masinilor de sudura prin presiune

Daca se neglijeaza curentul de magnetizare si pierderile in fier, schema echivalenta a unui circuit de sudare este cea din fig.15.6 in care s-a notat cu:

U₁, I₁ - tensiunea si curentul primar;

U₁', I₂ - tensiunea si curentul secun­dar, raportat la primar;

R_sc, X_sc - parametrii de scurtcircuit ai transformatorului;

R_sc', X_sc' - parametrii circuitului de sudare raportati la primar;

r_s' - rezistenta de sarcina (a sudurii) raportata la primar.

iar randamentul insta­latiei devine:

Valoarea acestuia este aproximativ h=0,4 in cazul unei dimensionari precise a utilajului de sudare, cand termenul   R_sc+R_s are o valoare apropiata de r_s'.

Randamentul depinde in mare masura de tipul constructiv al masinii, de modul de executie si intretinere a circuitului de su­dare, precum si de calificarea personalului de deservire. Astfel, masinile destinate imbinarii pieselor de gabarit ridicat au ran­dament scazut datorita lungimii mari a circuitului de sudare (console si portelectrozi lungi).

In ceea ce priveste factorul de putere, acesta se determi­na cu relatia:

si are valori cuprinse intre 0,50,6 deoarece reactanta cir­cuitului este preponderenta si nu poate fi micsorata prea mult din considerente constructive.

Valorile reduse ale randamentului si factorului de putere au dezavantajul unei supradimensionari a utilajului, caci:

unde P₂ este puterea utila necesara realizarii unui punct de sudura determinata cu:

Raportul de transformare k_j = U₁/U_2j = I₂/I₁ pentru treapta de reglare j se determina din proba de mers in gol si are valoarea

iar daca se pastreaza tensiunea de alimentarea constanta, se poate  modifica puterea utila prin reglarea raportului de transformare.

La alimentarea unitatilor de mare putere, care in general sunt monofazate, pot apare asimetrii ale curentilor si tensiunilor in sistemul de alimentare. De aceea se recomanda fie functionarea simultana a trei masini (la aproximativ acelasi curent de sudare), fie simetrizarea sarcinii cu dispozitive speciale (Steinmetz, etc.) in cazul conectarii unei singure unitati.

5. Desfasurarea aplicatiei

Se vor examina si schita partile mecanice ale masinii de sudare prin puncte aflata in laborator;

Se va explica schema electrica de functionare (fig.15.7) a masinii de sudare ce poate fi conectata la retea fie prin intermediul contactorului electromecanic K, fie prin contactorul cu ignitroane CI comandat de releul de timp RT;

Se determina, din proba de mers in gol, tensiunile U_10j si U_20j si se calculeaza rapoartele de transformare k_j pentru fiecare treapta de reglaj;

Se determina pentru fiecare treapta de reglaj, din proba de mers in sarcina, marimile U_1s, I_1s, P_1s si se calculeaza:

- impedanta totala de sarcina:

- rezistenta totala de sarcina  

- impedanta totala de sarcina

Se determina, pentru fiecare treapta de reglaj, din proba de scurtcircuit (electrozii adusi in contact direct) marimile U_1sc, I_1sc, P_1sc si se calculeaza rezistenta de scurtcircuit a masinii precum si rezistenta sudurii raportate la primar

Se determina factorul de putere si randamentul electric pe fiecare treapta de tensiune cu:

Se traseaza curbele de variatie ale principalilor parametri electrici in functie de raportul de transformare k_j.