Topirea baii de sudura si calculul dimensiunilor caracteristice

Topirea baii de sudura si calculul dimensiunilor caracteristice

Forma si dimensiunile baii metalice de sudura depind de bilantul termic al procesului de sudare, respectiv de procedeul aplicat, de parametrii tehnologici utilizati si de conditiile termofizice locale. Astfel dupa cum se observa din figura 2.32, o parte din energia termica este utilizata pentru topirea partii metalice a electrodului si a metalului de baza. Aceasta parte consumata pentru formarea baii metalice poate fi considerata ca parte utila. Restul energiei se poate considera ca se pierde, cu toate ca si aportul ei favorizeaza calitatea sudurilor. Astfel, energia condusa in metalul de baza realizeaza o preincalzire locala, care asigura o racire mai butin intensa a baii metalice solidificate. Acelasi rol favorabil il asigura si energia consumata pentru topirea materialelor protectoare si pentru formarea zgurii.

Fig. 2.32 Bilantul termic la sudare

Din figura 2.32 se observa ca la sudarea automata sub flux, energia termica este utilizata mai rational la formarea baii metalice.

1. Pariciparea metalului de baza la formarea baii metalice

Compozitia chimica, structura si forma sudurii sunt influentate in mare masura de participarea metalului de baza la formarea baii metalice, care poate fi caracterizata prin coeficientul de participare K_b.

Fig. 2.33 Provenienta metalului topit la diferite tipuri de suduri

Din figura 2.33 se observa ca sectiunea transversala a unei suduri, care este un amestec relativ omogen de metal de baza si electrod topit, se poate impati in mod conventional in partile componente dupa provenienta. Astfel daca se admite ca A₂ reprezinta partea din sectiune provenita din metalul de baza topit, iar A₁ reprezinta partea din sectiune provenita din electrodul topit, se poate defini coeficientul de participare a metalului de baza:

(2.147)

in care: A₁ + A₂ = A.

Dupa cum se observa din fig. 2.33 rezulta ca A₂ si A₁ depind de patrunderea sudurii h_p, de suprainaltarea h_i si de latimea sudurii B, care la randul lor sunt dependente de alti parametrii.

Calcularea coeficientului de participare a metalului de baza la sudura se poate determina prin masurarea dimensiunilor sudurilor pe probele macroscopice, sectionate transversal. Relatiile de calcul necesare pentru diferite forme de suduri sunt date in tabelul 2.6.

Coeficientul de participare a metalului de baza Kb, este cu atat mai mare, cu cat densitatea curentului de sudare are valori mai mari. Rezulta ca sub aspect economic sunt avantajoase procedeele care asigura valori mari pentru coeficientul Kb, intrucat la aceeasi lungime de cordon se consuma o cantitate redusa de materialde adaos. Aceste procedee sunt recomandate in cazul realizarii imbinarilor prin sudare, dar trebuiesc evitate in cazurile de incarcare prin sudare, avand in vedere aspectul calitativ. Astfel, la incarcarea prin sudare, se urmareste de obicei obtinerea unor straturi cu proprietati speciale, pe baza calitatii materialului de adaos. In aceasta situatie participarea metalului de baza la formarea baii metalice, produce o diluare nedorita a metalului provenit din electrod.

In figura 2.34 este prezentata variatia coeficientului de participare a metalului de baza Kb, in functie de procedeul de sudare utilizat pentru incarcare.

Fig. 2.34 Valorile coeficientului de participare a metalului de baza pentru diferite procedee de incarcare prin sudare

Tabelul 2.6 Principalele forme ale sectiunilor straturilor incarcate prin sudare si relatii pentru calcularea sectiunilor transversale ale sudurilor [67]

2. Calculul lungimii baii metalice

Pentru determinarea lungimii baii metalice L se porneste de la ecuatia campului termic pentru cazul studiat, care se particularizeaza pentru temperatura de topire a materialului T_t si pentru punctele de pe suprafata r = 0.

Spre exemplu in cazul sudarii corpului masiv (fig. 2.35), campul termic pe suprafata este dat de:

(2.148)

Particularizand T = T_t la timpul t = t_v

(2.149)

(2.150)

Fig. 2.35 Repartizarea temperaturilor in corpul masiv sudat

Constanta de proportionalitate K in cazul sudarii unor table din otel carbon are urmatoarele valori:

K = 2,8 - 3 mm/kVA la sudare automata sub flux pentru I_s < 1200 A

K = 2,3 - 2,8 mm/kVA la sudare automata sub flux pentru 1200< I_s < 3000 A

K = 1,7 - 2,3 mm/kVA la sudarea manuala cu electrozi inveliti.

3. Randamentul efectiv de topire al metalului de baza

O alta notiune care caracterizeaza procesul de topire si de participare a metalului de baza la formarea baii metalice este randamentul efectiv de topire al metalului de baza h_r. El poate fi definit ca raportul dintre puterea consumata pentru topirea metalului de baza si puterea utilizata a arcului electric.

Se cunoaste ca puterea totala a arcului electric este

P = U_a ^. I_s V ^. A (2.151)

iar puterea utila este data de relatia:

P_u = h_u U_a ^. I_s V ^. A (2.152)

in care:

h_u - randamentul arcului electric care tine seama de pierderile termice prin stropi, prin convectie si prin radiatie

h_u = 0,70 - 0,85 la sudarea cu electrod invelit

h_u = 0,80 - 0,95 la sudarea automata sub flux

h_u = 0,50 - 0,70 la sudarea cu electrod de carbune

U_a - tensiunea efectiva a arcului V

I_s - intensitatea efectiva a curentului de sudare A

Puterea consumata pentru topirea metalului de baza este:

P_MB = v_s ^. A₂ ^. r ^. c(T - T₀)   (2.153)

Din relatiile 2.153 si 2.152 rezulta

(2.154)

Valoarea randamentului h_T poate fi aflat in diferite situatii:

a)     Sudarea automata sub flux pe corpuri masive:

A fost demonstrata relatia 2.70 pentru determinarea temperaturii maxime in acest caz:

Daca se inlocuieste in aceasta relatie T_m = T_t, rezulta ca r este valoarea razei pana la care metalul este in stare topita

Din acesta relatie rezulta puterea totala P, din care o parte P_MB este utilizata la topirea metalului de baza. (2.154)

Tinand seama de dimensiunile baii metalice din fig. 2.36 si de relatia 2.153 se obtine:

Fig. 2.36 Zona topita de raza r si zona incalzita de raza R la sudarea automata (sursa termica este considerata punctiforma)

Pe baza relatiilor de mai sus se obtine randamentul efectiv de topire a metalului de baza, in acest caz: (2.155)

Din aceasta relatie rezulta ca la sudarea automata sub flux a corpurilor masive, numai o parte redusa de energie este utilizata la topirea baii metalice, restul energiei primite de metalul de baza se transmite prin conductivitate si incalzeste zonele invecinate sudurii. Valoarea h_T data de relatia 2.155 nu poate fi depasita in cazurile practice, deci raprezinta o valoare maxima.

b)     Sudarea automata sub flux pe placi

La fel ca si la punctul a), h_T se poate calcula in acest caz cu relatia (2.72), corespunzatoare temperaturii maxime.

In aceasta relatie se poate neglija coeficientul b_p (b_p = 0), deci

(2.156)

Fig. 2.37 Zona topita la sudarea automata a unei placi subtiri

Considerand notatiile din fig. 2.37 se poate calcula puterea consumata la topirea metalului de baza P_MB

P_MB = v_s ^. 2r_A ^. d ^. c ^. r ^. T_t   (2.157)

Randamentul efectiv de topire a metalului de baza in acest caz este

(2.158)

Deci randamentul efectiv de topire a metalului de baza pentru sudarea automata sub flux a placilor subtiri, nu poate depasi valoarea h_T

Aceste valori ale randamentului h_T in cazul a) sau b) sunt valorile maxime posibile si corespund sudarii cu viteze mari (v_s > 20 m/h).

Odata cu scaderea vitezei de sudare, energia termica transmisa prin conductivitate termica metalului de baza din zonele invecinate baii metalice creste si ca urmare randamentul efectiv de topire h_T scade.

In diagrama din fig. 2.38 sunt date valorile randamentului h_T in functie de variabila la sudarea pe corpul masiv sau de variabila la sudarea pe placa, pentru diferite valori ale raportului dimensional h_p/B.

1. sudura aplatizata h_p/B < 0,5

2. sudura semicirculara h_p/B = 0,5

3. sudura adancita h_p/B > 0,5

Fig. 2.38 Randamentul η_T la corpul masiv si la placa [46]

Din figura 2.38 se observa ca pentru sursele punctiforme ( in fig.2.38) la care h_B = 0,5 se obtin cele mai reduse valori ale randamentului h_T. Prin liniarizarea sursei termice pe orizontala ( in fig.2.38), sau pe verticala ( A in fig.2.38), valorile randamentului h_T cresc odata cu cresterea liniarizarii sursei, indiferent de directia de liniarizare.

Practic liniarizarea se realizeaza fie marind patrunderea la sudare (marind I_s), fie marind latimea sudurii prin pendularea transversala a electrodului.

Din cele expuse rezulta ca se poate aprecia cu ajutorul calculelor, forma si dimensiunile baii metalice de sudura.