Tehnologia de sudare

TEHNOLOGIA DE SUDARE

O aplicatie in practica a tehnologiei de sudare cu gaze protectoare folosind amestec de argon si azot poate fi sudarea pe generatoare si pe circumferinta a virolelor in scopul obtinerii unor recipienti de dimensiuni mari.

Astfel de imbinari, de obicei, se realizeaza in IUC Fagaras realizandu-se astfel recipienti din otel inoxidabil pentru industria chimica.

Pentru virole cu diametrul intre 800 . 1500 mm si grosimea placii intre 5 . 8 mm se utilizeaza sudarea MIG, lucrandu-se numai cu argon.

Pentru imbunatatirea proprietatilor mecanice ale cusaturii si pentru reducerea pretului de cost se realizeaza calculul tehnologiei ce urmeaza:

Metalul de baza este un otel inoxidabil austenitic: 2NiCr185 cu urmatoarea compozitie chimica:

C%  max 0,03% Cr % 18,0 . 20,0 %

Mn% max 2% Ni % 10,0 . 12,5 %

Si% max 1,0% conform standardului: STAS 3583-87

Principalele domenii de utilizare a otelului 2NiCr185.

- Elemente de utilaje tehnologice care lucreaza la temperaturi ridicate si/sau medii puternic agresive. Preponderent se utilizeaza pentru aparataj in industria chimica (industria acidului azotic) si industria farmaceutica. Se mai utilizeaza si in industria nucleara. Poate fi utilizat in constructia de recipienti sub presiune pana la 350°C si pana la 550°C daca nu sunt prezente medii agresive care sa provoace descompunerea grauntilor.

Caracteristicile mecanice la temperatura ambianta ale otelurilor inoxidabile austenitice 2NiCr185 sunt:

Duritatea maxima  R_p0,2 = 180 N/mm

Limita de curgere  R_p1,0 = 215 N/mm

Rezistenta la tractiune   R_m = 460 680 N/mm

Alungirea la rupere minima A₅ %

- longitudinal 45 %

- transversal   40 %

Rezilienta KCU 300/2 minima - longitudinal 85 J/cm²

- transversal 55 J/cm²

Aceste virole se realizeaza unor table care se livreaza la urmatoarele dimensiuni conform STAS 12451-86:

grosimi: 5, 6, 7, 8, 9 mm

latimi:  1000, 1250, 1500 mm

lungimi:   3000 . 6000 mm

Lungimea maxima a virolei asamblate este de 3000 mm.

1. Alegerea sarmei pentru sudare

Spre deosebire de sudarea cu electrozi inveliti sau sub flux unde prin compozitia materialului pulverulent utilizat se poate interveni asupra compozitiei baii de metal topit, la sudarea sub protectie de gaz cu sarma plina nu se mai poate actiona asupra baii in fuziune. Daca invelisul sau fluxul prin ardere la temperatura arcului formeaza gaze si zgura, la sudarea in medii protectoare, gazul asigura protectia (atat) impotriva elementelor din aer elementele dezoxidante si de aliere putand fi intoduse in cusatura numai prin metalul de adaos (sarma plina) sau prin gazul protector (N₂).

Astfel metalul de adaos trebuie sa contina elementele necesare pentru obtinerea unei cusaturi cu compozitia dorita.

Printre altele, elementele de aliere ale sarmei trebuie sa asigure metalului depus o compozitie chimica cat mai apropiata de cea a metalului de baza, in vederea obtinerii unor caracteristici mecanice comparabile.

Continutul final al metalului depus, in privinta unui element de aliere, depinde de continutul in sarma a acestui element, de metalul de baza, de dilutia si pierderea acestui element in timpul fuziunii, pierdere ce poate proveni din volatizarea lui la temperatura arcului. Pierderea mai poate depinde de reactia de combinare in baie a elementului considerat in timpul fenomenului de reducere a oxizilor.

Alegerea sarmelor pentru sudare trebuie facuta in functie de doua criterii principale: - procedeul de sudare

- compozitia chimica.

In cazul de fata fiind vorba de o sudare MIG cu amestec de gaze Ar 25 % si Ni 75%, sarma de sudare trebuie sa aibe o compozitie chimica asemanatoare cu cea a M.B.

Cum metalul de baza este un otel inoxidabil austenitic cu maxim 0,03% C. Se alege ca metal de adaos conform STAS 1126-90 sarma plina pentru sudare in mediu de gaze protectoare S03Cr19Ni(9) utilizat pentru sudarea otelurilor inalt aliate.

Compozitia chimica a sarmei S03Cr19Ni9 este:

C_max    0,03 % Mn 1,0 . 2,0 % Si max 0,7 %

Cr   18,0 . 20,0 % Ni 8 . 10 %

Mai contine: P_max 0,025 % si S_max 0,015 %

Tinand cont ca grosimea tablelor ce se imbina este intre 5 . 8 mm se recomanda utilizarea sarmei avand diametrul de 1,2 si 1,6 mm. Alegerea diametrului se va face in baza unui calcul de optimizare.

Ambalarea sarmelor pline se face pe bobine de material plastic ale carui dimensiuni sunt standardizate. Cele mai utilizate sunt de obicei cele din fig. 14.

Fig.14. Bobina pentru sarma de sudura

2. Gazul de protectie

Gazul de protectie utilizat este un amestec de gaze intre argon si azot (75% Ar + 25% N₂).

Azotul din gazul de protectie este necesar pentru a creste procentul de azot din cusatura. Aceste gaze sunt amestecate in dispozitive speciale de amestecare care permit dozarea celor doua gaze la diferite presiuni si debite. Schema unui asemenea amestecator este prezentat in fig. 15.

Fig.15. Schema de principiu a dispozitivului de amestec

pentru doua componente (Ar + N2)

Cele doua gaze avand aceeasi presiune, trec prin filtrele 1 si ajung la regulatoarele de presiune 2 comandate de regulatorul pilot 2. Cu ajutorul acestuia presiunea se fixeaza la valoarea pentru care sunt calibrate debitmetrele 4. Manometrele cu contacte 3 se regleaza astfel incat la scaderea presiunii unuia din cele doua gaze, instalatia sa fie oprita automat prin inchiderea electroventilului 8.

Proportia de dozare se regleaza cu ajutorul ventilelor de dozare 5, precizia fiind de ordinul ± 1%. In continuare gazele trec prin ventilele antiretur 6, stabilizatoarele de debit 7, dupa care se amesteca, trec prin atenuatorul 14 si apoi in recipientul tampon 10 prevazut cu un sistem de (suntare) si care in scopul unei bune amestecari.

Acest recipient este prevazut cu automatul de control al presiunii 11, care la atingerea unei valori superioare limita comanda oprirea instalatiei.

Suplimentar este montat ventilul de siguranta 1 Reglarea presiunii amestecului de gaze la iesire se face cu ajutorul regulatorului 9, valoarea fiind indicata de manometrul P. Intre statie si reteaua de distributie se intercaleaza rezervorul tampon RT cu volum de circa 1m³, cu scopul preluarii eventualelor socuri de presiune datorita fluctuatiei consumului.

Aceasta instalatie este conectata la sursa de gaz a instalatiei de sudare.

Calculul parametrilor tehnologici de sudare

Avand in vedere ca tablele ce se asambleaza prin sudare au grosimi intre 5 . 8 mm fie ca e vorba de cusatura pe generatoare fie la sudarea pe circumferinta a virolelor avem sudare cap la cap in pozitie orizontala.

In literatura de specialitate se prevede modul de pregatire a rostului dintre piesele de sudat in functie de grosimea tablelor.

Pentru S = 6 . 12 mm in cazul sudarii MIG avem rostul din figura 16.

Fig. 16 Rost V

Sudarea primului strat (stratul de radacina) se poate face prin procedeul WIG; in acest caz sunt necesare alte masuri suplimentare (protectia din partea opusa). In cazul in care se sudeaza numai MIG (productivitate ridicata) este necesara protectia din partea opusa de obicei cu argon.

In cadrul procedeului MIG in functie de densitatea de curent metalul topit poate fi transferat prin arc sub forma de picaturi sau jet. Cu cat densitatea de curent este mai mare, cu atat picaturile devin mai mici. Pentru sudarea in pozitie orizontala caracterul transferului nu are importanta. La sudarea pe verticala si in general, in pozitia de plafon, formarea corespunzatoare a cusaturii poate fi realizata numai prin pulverizarea metalului de adaos. Aceasta forma de transfer se poate obtine doar cu un curent ce depaseste o anumita valoare denumita curent critic. Pentru diametrul de = 1,6 mm, curentul electric este 240÷250 A. In cazul efectuarii cusaturilor pe circumferinta cele doua virole se agrafeaza prin cusaturi scurte (20 . 50 mm) asezate la distante de 300 . 500 mm pe circumferinta.

Sudarea se face fara a se folosi preincalzirea tinand cont ca sudarea se realizeaza in incapere θ_o = 10-25°C.

Se determina aria cusaturii pentru rostul ales. Aria teoretica este formata dintr-un dreptunghi si doua triunghiuri.

Figura 17. Aria rostului si a cusaturii

In figura zona hasurata reprezinta aria cusaturii pentru s = 8 mm.

Sectiunea reala este inca A_r = (1,1 . 1,3)A_c

A_r = 1,2 36,78 = 44,14 mm²

Luand in considerare performantele procedeului de sudare cu gaye protectoare cu metal de adaos fuzibil rezulta ca tablele cu grosimi intre 510 mm si cu rost in "V" sau "U" se sudeaza printr-o singura trecere.

In functie de diametrul electrodului se calculeaza (kv_s) pentru trei diametre 0,8; 1,2 si 1,6.

pentru d_e = 0,8 mm = 0,502 mm² r(kv_s)_sha = 2300 kg cm/dm³ min;

kv_s = 295 cm/min

r(kv_s)_spa = 5300   kv_s = 675

pentru d_e = 1,2 mm = 1,130 r(kv_s)_sha = 1500 T kv_s = 192

r(kv_s)_spa = 4320 T kv_s = 550

pentru d_e = 1,6 mm = 2,01 r(kv_s)_sha = 1250 T kv_s = 158

r(kv_s)_spa = 3570 T kv_s = 455

Aceste date sunt prezentate (tabelul 43 Tehnologia proceselor de sudare cu arc T. Salagean).

Se foloseste transferul spa care consta in picaturi foarte fine care "zboara" cu viteze mari prin arc formand un jet continuu de gaze si pulbere metalica topita.

In continuare vom lucra cu cele trei variante pentru cele trei diametre de electrozi.

V₁: (k₁v_s1) = 675 cm/min

T v_s1 = T v_s1 = 7,67 cm/min pentru d_e = 0,8 mm

V₂: (k₂v_s2) = 550 cm/min

T v_s2 = T v_s2 = 14,08 cm/min   pentru d_e = 1,2 mm

V₃: (k₃v_s3) = 455 cm/min

T v_s3 = T v_s3 = 20,71 cm/min   pentru d_e = 1,6 mm

Corelatia dintre curentul de sudare I_s si diametrul sarmei electrod este pentru transferul spa: I_s = - 67 d_e² + 370 d_e - 78.

Calculam I_s pntru cele trei variante:

I_s1 = - 67 0,8² + 370 0,8 - 78.    I_s1 = 175,12 A

I_s2 = - 67 1,2² + 370 1,2 - 78. I_s1 = 269,52 A

I_s3 = - 67 1,6² + 370 1,6 - 78.    I_s1 = 342,48 A

Corelatia intre curentul de sudare si tensiunea arcului Ua este:

Ua = 13,34 + 0,050508 I_s

Ua₁ = 13,34 + 0,050508 Ua₁ = 22,18 V

Ua₂ = 13,34 + 0,050508 269,52 Ua₂ = 26,95 V

Ua₃ = 13,34 + 0,050508 Ua₃ = 30,63 V

Cand se foloseste aceasta corelatie valoarea lui Ua se rotunjeste la un numar intreg, dandu-se si o toleranta de 1 V.

Timpul efectiv de sudare a unui metru de cusatura se calculeaza cu relatia:

n_t - numarul de treceri (in acest caz n_t = 1)

t_s1 = 13,03 min

t_s2 = 7,10 min

t_s3 = 4,82 min

Gazul de protectie fiind un amestec de gaze debitul de gaz de protectie trebuie sa fie D_g 20 l/min.

Se alege debitul de gaz D_g = 15 l/min.

Astfel parametrii tehnologiilor calculate pentru imbinarea cap la cap a doua table de grosime 8 mm din otel inoxidabil austenitic sunt prezentate mai jos.

Rata depunerii A_D = 0,3 10^-4I_s² + 0,1 10^-2I_s + 0,5

A_D1 = 0,3

A_D2 = 0,3

A_D3 = 0,3

Lungimea libera L_L si distanta de la duza la componenta L_D au influenta asupra sudarii cu gaze protectoare. Daca L_L este prea mare, sarma de sudura va fi supraincalzita si patrunderea cusaturii va scadea, stropirile se vor indesi si protectia baii de sudura va fi mai slaba.

L_D este corelat cu L_L prin constructia pistoletului de sudare in figura 18.

1. metalul de baza

2. sarma de sudura

contacte electrice

4. duza gazelor de protectie

Figura 18. Corelare intre L_L si L_D.

L_a - lungimea arcului

L_L - lungimea libera

L_D - lungimea distantei intre duza si componente

Daca L_D este prea mic, apare pericolul ca duza sa se acopere cu stropi metalici, sa se formeze o punte metalica intre duza si componente si procesul de sudare sa fie compromis prin scurtcircuitare.

Valorile nominale ale acestor parametrii sunt: L_L = 2530 mm

L_D = 2025 mm

Energia arcului:

    E₁ = 30,13 KJ/cm

E₂ = 31,00 KJ/cm

    E₃ = 30,75 KJ/cm

Energia consumata:

   h - randamentul electric al sursei

Pentru redresoarele de sudura: h

   Z₁ = 62,74 kwh/m

  Z₂ = 64,57 kwh/m

    Z₃ = 63,96 kwh/m

Cantitatea de amestec de gaze pentru un metru de cusatura se calculeaza cu ajutorul debitului de gaz D_G (l/min) dat de tehnologie si al duratei sudarii a unui metru de cusatura t_s.

G (l/m) = D_G (l/min) t_s (min/m)

G₁ = 15 13,03 T G₁ = 195,45 l/m

G₂ = 15 7,10 T G₂ = 106,5 l/m

G₃ = 15 4,82 T G₃ = 72,3 l/m

Tinand cont de valorile lui: E₁, E₂, E₃, Z₁, Z₂, Z₃, G₁, G₂, G₃ se constata ca se pot stabili urmatoarele inegalitati pentru cele trei variante: E₁<E₂<E₃, Z₁<Z₃<Z₂, G₁>G₂>G

Luand in vedere cele constatate mai sus si faptul ca sarma cu diametrul 1,2 mm este mai ieftina decat cea de 0,8 mm se alege ca varianta optima varianta v₂ de tehnologie, adica celei corespunzatoare sarmei avand diametrul de 1,2 mm.

4. Avantajele acestei tehnologii fata de cea obisnuita cu

gaz de protectie argon pur

Cercetarile in acest sens au fost facute in scopul maririi plasticitatii cusaturii. In acest scop s-au facut cercetari asupra compozitiei cusaturii, care se caracterizeaza prin inalta energie de activare a procesului de recristalizare si care are un numar insemnat de imperfectiuni a structurii, pe care se pot concentra atomii impuritatilor si pot forma separatii disperse izolate.

La baza acestor incercari se pune principiul introducerii artificiale a elementelor, pentru ca impuritatile sa nu se separe la granitele grauntilor ci in corpul granulei, ceea ce asigura rezerva de plasticitate a metalului. In calitate de una din elementele de aliere s-a ales azotul. El se dizolva suficient de bine in ferita cu continut ridicat in crom, formeaza usor nitruri care se separa in zona de aglomerare a atomilor impuritatilor si poseda o mobilitate la difuzie suficient de mare.

O metoda convenabila care permite introducerea azotului in structura este utilizarea la sudare a unui amestec de gaz protector cu un procent cat mai mare de azot. Arcul de sudura in amestec argon-azot se caracterizeaza prin ingustime si printr-o coloana clar conturata. Este cunoscut ca aspiratia azotului din amestecul de protectie mareste presiunea partiala a azotului din intervalul arcului care contribuie la saturarea baii de sudura cu acest gaz.

S-a constatat, utilizand amestecuri cu un continut de azot intre 3 . 5 % ca odata cu cresterea procentului de azot in amestec creste calitatea mecanica a imbinarilor sudate.

Insa marirea procentului de azot peste 5% duce la sporirea porilor in cusatura, fapt pentru care se utilizeaza amestecuri cu azot %

Influenta procentului de azot din amestecul de protectie asupra continutului de azot din cusatura este reprezentata in figura 19.

Figura 19. Cresterea procentului de azot in cusatura

Cromul din structura mareste solubilitatea azotului si favorizeaza formarea nitrurilor rezistente. Astfel prezenta azotului in cantitati mari in cusatura duce la marirea plasticitatii metalului. Prezenta in amestecul de gaze a mai mult de 50% N₂ creste in mod insemnat cantitatea de nitruri si carbonitruri care se raspandesc in principal in corpul granulei si nu la limita dintre graunti. In acest fel creste rezistenta la coroziune rezilienta cusaturii si plasticitatea generala a imbinarii.

Figura 20. Modificarea rezilientei in functie de

continutul de azot in cusatura

Rezilienta cusaturii, obtinuta la sudarea cu argon este mai mica si ruptura prin cusatura are un caracter fragil. Acest fenomen este cauzat de nitrurile si carbonitrurile care in cazul sudarii numai cu argon au tendinta sa se deplaseze spre limita grauntilor, slabind astfel rezistenta structurii.

Analizele metalografice au aratat in cazul folosirii amestecului argon-azot o micsorare a parametrului retelei cristaline.

Deci pe langa marirea plasticitatii cusaturii cu aceasta tehnologie se realizeaza si o finisare a structurii.