Sudarea electrica - Principii de baza.Clasificari

Sudarea electrica - Principii de baza.Clasificari

Principii de baza.Clasificari

Sudarea metalelor este o metoda de îmbinare nedemontabila, caracterizata prin stabilirea, în anumite conditii de temperatura si presiune, a unor forte de legatura între atomii marginali ai acestora. Fata de alte procedee tehnologice (turnare, forjare, nituire) se caracterizeaza prin urmatoarele avantaje:

economie de material;

economie de manopera;

îmbunatatirea proprietatilor mecanice;

asigurarea unor constructii etanse;

utilizarea unor utilaje ieftine si usor de întretinut.

Procesul de sudare reprezinta ansamblul fenomenelor prin care se obtine îmbinarea, iar procedeul de sudare totalitatea operatiilor tehnologice folosite la un anumit fel de sudare.

Obtinerea sudurii se realizeaza prin recristalizarea atomilor marginali ai pieselor componente în graunti cristalini comuni. Pentru aceasta sistemul trebuie scos din starea lui de echilibru stabil în care se gaseste, iar distantele dintre atomii marginali trebuie reduse la ordinul de marime al parametrului retelei cristaline.

În general prima conditie se realizeaza prin introducerea în zona de contact a unei cantitati de energie, iar cea de a doua conditie prin apasarea elementelor care trebuie îmbinate unul contra celuilalt.

Pentru orice material se poate ridica dependenta θ_c=f(p_c), care asigura realizarea conditiilor de sudare, unde θ_c este temperatura zonei de contact, iar p_c presiunea în zona de contact

Astfel se observa ca putem avea urmatoarele tipuri de sudare:

a)     sudarea prin topire – caracterizata prin θ_c>=θ_t , caz în care p_c=0;

b)     sudarea prin presiune – caracterizata prin θ_c<θ_t, p_c diferit de zero;

c)      sudarea prin deformare plastica – caracterizata prin θ_c=θ_a si p_c>=p_a.

Sudarea cu arc electric

În acest caz energia necesara sudarii este dezvoltata de catre un arc electric 3 ce se stabileste între piesele de îmbinat 1 si electrodul 2.; se asigura astfel topirea locala a acestora, baia metalica 4 fiind formata din materialul pieselor si al electrodului. Prin solidificarea baii metalice, se obtine zona de recristalizare comuna 5 numita cusatura metalica.

Arcul trebuie sa fie cât mai scurt si cu o lungime constanta, astfel ca pe masura ce se topeste electrodul, acesta trebuie sa fie apropiat de baia metalica cu viteza v_e si de asemenea sa fie deplasat pe directia îmbinarii cu viteza v_s.

Procedeele de sudare cu arc se clasifica dupa urmatoarele criterii:

a)     dupa modul de realizare a miscarilor

sudare manuala (ambele miscari sunt realizate manual);

sudare semiautomata (miscarea electrodului se realizeaza mecanic, iar cea a arcului manual);

sudarea automata (ambele miscari se realizeaza mecanic).

b)     dupa participarea electrodului la formarea baii metalice

cu electrod fuzibil;

cu electrod nefuzibil;

c)      dupa natura curentului electric

sudare în c.a.;

sudare în c.c. cu polaritate directa (electrodul la minus) sau inversa;

d)     dupa modul de protectie a spatiului de sudare

cu arc deschis (neprotejat);

cu arc acoperit – arcul este izolat de influenta directa a aerului prin gazeificarea unor materiale solide - putând avea sudare cu electrozi înveliti si sub strat de flux;

cu arc protejat – se insufla gaze inerte sau active în jurul arcului si a baii metalice.

Caracteristicile surselor de sudare electrica

Principalele caracteristici ale arcului electric, care trebuie avute în vedere sunt:

a)     tensiunea arcului U_a – este tensiunea stabilita între electrod si piesa de sudat care întretine arcul electric; pentru curenti pâna la 1000A are valori de 16..40 V si depinde de lungimea arcului l_a;

b)     tensiunea de aprindere a arcului U_ap – este diferenta de potential la care se amorseaza descarcarea în arc si are valoarea de circa 35V în c.c., respectiv 60..70V în c.a.;

c)      curentul de scurtcircuit I_sc – curentul în circuitul de sudare la contactul galvanic între electrod si piesa;

d)     curentul de lucru I_a – curentul prin arcul electric stabil la o tensiune de lucru U_a pentru o anumita lungime a arcului.

Astfel, sursele de energie electrica utilizate pentru sudarea cu arc trebuie sa satisfaca urmatoarele conditii:

tensiunea de mers în gol – sa aiba o valoare U₀=(1,8..2,5)U_a, unde limita inferioara este impusa de aprinderea arcului, iar cea superioara de considerente economice si de protectie a muncii;

curentul de scurtcircuit – I_sc=(1,25..2)I_a, pentru valori mici aprinderea arcului este greoaie, iar la valori mari apare suprasolicitarea termica a sursei si împroscarea metalului topit;

caracteristica statica (externa) U_s=f(I_a) – trebuie sa intersecteze caracteristica arcului într-un punct stabil de functionare;

caracteristica dinamica – reprezinta modul de variatie a tensiunii si curentului la trecerea de la un regim de functionare la alt regim

reglarea regimului de lucru – reglarea combinata (c) a tensiunii de mers în gol (a) si a impedantei sursei (b) asigura o reglare lenta si continua a regimului de sudare.

Surse de sudare în curent alternativ

Cea mai utilizata sursa este transformatorul de sudare realizat în diferite variante constructive pentru asigurarea formei cazatoare a caracteristicii externe.; arcul electric este deci conectat în serie cu o inductanta ceea ce îmbunatateste stabilitatea arderii si a randamentului sursei

a)     Transformatorul de sudare cu inductanta pe miez separat

Transformatorul monofazat 1 cu scapari magnetice normale este conectat în serie cu o bobina de reactanta 2 cu inductivitate variabila (prin modificarea întrefierului δ).Schema echivalenta cu marimile primare raportate la secundar este prezentata în figura de mai jos(a).

Daca se neglijeaza rezistentele în raport cu reactantele rezulta schema b. Ecuatia caracteristicii externe a sursei esteU_s²=(U₁^’)²-X²I₂² .

La mersul în gol U_10,

La scurtcircuit I_2sc=U₁^’/X.

Puterea reactiva a bobinei-Q_b

Q_b=S_b (1) rezulta deci X_bI²=UI. Dar u=-dΨ/dt=ωN_bΨcosωt deci valoarea efectiva (2). Din legea circuitului magnetic , avem N_bi=B_δδ/μ₀  de unde rezulta valoarea efectiva (3). Din 1, 2 si 3 ne rezulta .

Modificarea regimului de sudare se realizeaza prin:

modificarea tensiunii de mers în gol (se modifica N₂/N₁);

modificarea inductivitatii bobinei .

b)     Transformatorul de sudare cu inductanta pe miez comun

Cuplajul magnetic este mai slab ca în prima varianta, iar comportamentul este la fel.

c)      Transformatorul de sudare cu sunt magnetic reglabil

Circuitul magnetic al acestui transformator are trei coloane, dintre care una (c) se poate deplasa  într-un plan perpendicular pe cel al desenului. Pe coloana a se dispun cele doua înfasurari ale transformatorului (N₁,N₂), iar pe b se plaseaza o bobina de reactanta cu N_r spire.

Modificarea impedantei sursei se face prin modificarea pozitiei suntului, modificandu-se în acelasi timp si tensiunea de mers în gol.

d)     Transformator de sudare cu bobine mobile – care poate fi cu deplasare longitudinala si cu deplasare axiala

La aceste transformatoare cresterea fluxurilor de scapari se obtine prin deplasarea longitudinala (a) sau rotirea axiala (b) a înfasurarilor. Reglarea regimului de sudare se realizeaza în mod continuu prin variatia distantei dintre cele doua bobine(a). Pe masura îndepartarii celor doua bobine, cuplajul magnetic între înfasurari scade, reactanta creste deci curentul sau tensiunea arcului scad în mod corespunzator.

Transformatorul cu rotire axiala are trei înfasurari, primele doua asezate pe coloane diferite (primarul si secundarul), iar a treia cuprinde ambele coloane ale sistemului. Bobina rotitoare este legata în serie cu înfasurarea secundara.Fluxul magnetic al acestei bobine este unul de scapari care se aduna sau se scade cu fluxul de scapari a jugului în functie de pozitia bobinei

Reglarea regimului de sudare se face prin modificarea pozitiei sau a numarului de spire a bobinei rotitoare.

e)     Transformatoare multipost

Functionarea este identica cu a transformatorului de sudare cu inductanta pe miez separat. Reglarea regimului de sudare se face independent pentru fiecare post prin modificarea inductantei bobinei, transformatorul având o caracteristica externa rigida. Printre avantajele transformatoarelor multipost sunt:

cheltuieli de investitie si exploatare mai reduse (40..50%, respectiv60..70%);

putere instalata mai micacu 60..70%;

randament si coeficient mediu de utilizare mai mare.

Sudarea în curent continuu

Sursele pentru sudarea în c.c.se împart în doua grupe:

rotative – generatoare de c.c. antrenate de motoare electrice (convertizoare de sudare) sau termice (agregate de sudare);

statice – diferite tipuri de redresoare pentru sudare.

Generatoare de sudare

Cel mai utilizat este generatorul de c.c. cu excitatie separata si serie antagonista (GESSA). El are doua înfasurari de excitatie: 1 – înfasurarea de excitatie separata (de magnetizare) alimentata cu tensiunea U_e si parcursa de curentul i_e reglabil prin reostatul R_e si care produce fluxul magnetic Φ_e; 2 – înfasurarea de excitatie în serie cu indusul (de demagnetizare) parcursa de curentul de sarcina I care da nastere unui flux magnetic Φ_s în opozitie cu Φ_e.

Caracteristica externa a sursei are ecuatia: U=U₀ – (R_s + R)I, unde U₀ – tensiunea la mersul în gol, I – curentul de sudare, R_s – rezistenta fictiva echivalenta efectului excitatiei serie, R – rezistenta totala a circuitului indusului.

Reglarea regimului de sudare se poate face prin:

modificarea regimului de mers în gol U₀ prin reglarea curentului de excitatie I_e;

modificarea nr. de spire N_s ale înfasurarii de excitatie serie;

combinarea celor doua metode.

Ca principal dezavantaj a generatoarelor de sudare putem aminti:

costul ridicat;

inertii electromagnetice mari;

întretinerea ostisitoare. Ca avantaj principal se aminteste stabilitatea marita a arcului electric.

Redresoare pentru sudare

Utilizarea acestor instalatii cunoaste o dezvoltare spectaculoasa datorita îmbunatatirii performantelor si reducerii pretului dispozitivelor semiconductoare de putere. Din punct de vedere al caracteristicii externe, redresoarele de sudare pot fi cu:

caracteristica rigida sau crescatoare;

caracteristica pronuntat cazatoare;

caracteristica variabila.

Dupa posibilitatea de a modifica tensiunea de iesire putem avea:

redresoare necomandate – alcatuite doar din diode;

redresoare comandate direct (total sau semicomandate) – au în componenta tiristoare sau tranzistoare de putere;

redresoare comandate indirect – redresorul este necomandat, transformatorul este cu tensiune reglabila.

Dupa modul de reglare a regimului de sudare putem avea:

redresoare cu bloc redresor alimentat de la un transformator cu impedanta de scurtcircuit normala – reglarea se face prin rezistente plasate în circuitul de sudare;

cu bloc redresor alimentat de la un transformator cu impedanta de scurtcircuit mare( cu sunt magnetic, cu reactanta de scapari marita,etc) – reglarea se face ca în c.a.

cu bloc redresor alimentat prin amplificator magnetic cu rol de reactanta reglabila – reglarea se face prin curentul de comanda a amplificatorului.

Sudarea prin presiune

Sudarea prin presiune cap la cap

Are doua variante : sudarea în stare solida si sudarea prin topire intermitenta. În primul caz tensiunea electrica se aplica doar dupa ce suprafetele transversale sunt în contact sub o presiune destul de ridicata, temperatura în zona de contact ajunge la 80..90% din temperatura de topire. În cel de al doilea caz, tensiunea electrica se aplica înainte ca piesele sa ajunga în contact, temperatura în zona de contact este apropiata de cea de topire.Prin apropierea celor doua piese straturile de metal topit de pe suprafetele în contact formeaza un strat topit comun.Crescând în continuare presiunea de contact, metalul topit este eliminat, având loc o deformare plastica a celor doua parti. Se obtin îmbinari cu proprietati îmbunatatite.

Sudarea în puncte

Se realizeaza biste punti de legatura între doua piese suprapuse de grosime redusa. Dupa strângerea tablelor, se conecteaza transformatorul de alimentare, curentul si presiunea aplicata modificându-se dupa un program care urmareste obtinerea parametrilor doriti. La început presiunea este mai mica, pentru a se obtine o rezistent contact mare si deci o viteza de încalzire mare, dupa care forta de apasare creste.