Tensiuni interne si deformatii la sudare

Tensiuni interne si deformatii la sudare

1. Scopul lucrarii - este studiul deformatiilor care apar in procesul de sudare si a posibilitatilor de prevenire a acestora.

2. Notiuni introductive

Dupa cum se stie, in general toate metalele se dilata prin incalzire si se contracta prin racire. Marimea dilatarii depinde de natura materialului si de temperatura la care se incalzeste metalul in proces. Marimea dilatarii liniare a unei bare este data de relatia :

fl = l - l ₀ = l ₀ f fT unde :

l - lungimea barei la temperatura T de lucru ;

l ₀ - lungimea barei la temperatura mediului ambiant;

f - coeficientul de dilatare termica liniara a materialului ;

T - diferenta de temperatura, intre temperatura de lucru si temperatura de referinta .

Prin racirea barei dilatate, aceasta se contracta si daca constructia este lasata libera bara revine la lungimea initiala de dinaintea procesului incalzirii.

Fenomenul de mai sus, din Fizica corpului solid supus incalzirii, se refera la incalzirea uniforma si omogena in toata masa piesei (barei); in lucrarile de sudare insa intregul proces al dilatarii si contractarii prezinta unele particularitati. Cauza principala a acestei comportarii este neuniforma si localizata in vecinatatea sudarii. Prin urmare in piesa sudata vor rezulta zone calde, mai putin calde si reci care se vor influenta reciproc, zonele mai reci opunandu-se dilatarii provocate de incalzirii si contractarii provocate prin racire, drept consecinta a celor de mai sus, in piesa sudata iau nastere tensiuni termice si de contractie care duc la tensionarea, deformarea piesei sau a constructiei sudate.

Cu cit zona incalzita este mai extinsa cu atat deformatiile sunt mai mari. Din aceasta cauza la sudarea cu arc electric se produc deformatii mai mici, arcul fiind sursa de caldura mai concentrata decat flacara oxiacetilenica. Repartitia densitatii fluxului de caldura (q) a arcului electric si a flacarii oxiacetilenice se vede in fig. 1.

Dupa cum se vede in fig. 1. densitatea de flux caloric este mai mare la sudarea cu arc electric, in schimb suprafata de incalzire este mai mare la sudarea oxiacetilenica.

Dupa directia de deformare, deosebim contractii transversale si longitudinale in imbinarea sudata; in mod reprezentativ aceste tipuri de deformatii, in cazul sudarii cap la cap a unor table, se vad pe fig. 6.46.a si fig. 6.46.b; a. - pozitia tablelor inainte de sudare; b. - pozitia tablelor dupa sudare.

Deformatia transversala se produce datorita contractiei la racire, pe linia a b (neinsemnata) si c d (intensa), ceia ce atrage dupa sine deformarea imbinarii ca in fig. 4.46.b. Pentru anihilarea acestui efect al deformatiei, pe cale experimentala determinandu-se marimea lui prin asezarea inversa a tablelor cu sensul deformatiei, fig. 6.46.a. se pot obtine imbinari sudate nedeformate sau cu abateri minime de la forma finala prescrisa a imbinarii.   

Figura 6.46.

Deformatii si mai mari se obtin insa in sens longitudinal a cusaturi de sudare.

Pe figura 6.47.a. si b., se dau reprezentarile unei astfel de deformatii longitudinale, unde : a - aspectul deformatiei imbinarii, b - sageata maxima a deformatiei in sectiune axiala a cordonului sudat.

Curbarea longitudinala se mareste cu cresterea curentului de sudare si a vitezei de sudare, dupa atingerea valorii critice, curbarea micsorandu-se.

3. Utilaje, accesorii, scule si materiale

Pentru sudare este necesar un post de sudare in curent continuu precum si un post de sudare in curent alternativ cu accesorii si echipamente de protectie aferente.

Mai sunt necesare :

- epruvete din otel patrat 10 x 10 x 200 mm de diferite calitati : OL 37, OL 42, OL 50, si oteluri carbon de calitatea :OLC 10, OLC 15, OLC 25, OLC 45, OLC50, OLC 60 ;

- epruvete din otel - f10 x 150 mm;

- electrozi f 4 mm; acizi, bazici, titanici;

- dispozitiv pentru determinarea statica a deformatiilor;

- dispozitiv pentru determinarea dinamica a deformatiilor;

- aparate de masura pentru curent electric : ampermetru, voltmetru.

4. Modul de lucru

In cadrul lucrarii de laborator se va determina static si dinamic numai efectul deformatiei longitudinale prin depunerea in linie a unui cordon sudat pe o epruveta de sectiune rectangulara ingusta de lungime data. Epruveta deformata (cu cordonul depus) pentru determinarea statica se vede in figura 6.48. in care : 1. metal de baza (epruveta); 2.cordon depus.

Figura 6.48.

Punerea in evidenta a marimii deformatiei prin masurarea sagetii efective dealungul cordonului depus, pe partea plana a epruvetei sudate se face cu ajutorul unui coparator cu cadran cu diviziunea de 0,01 mm, deplasat la distante egale, din centimetru in centimetru, cu ajutorul unei rigle gradate. Dispozitivul de masurare a deformatiilor longitudinale la sudare este redat in fig. 6.49., unde : 1.placa suport; 2.epruveta; 3.rigla gradata; 4. comparator; 5.montura comparator; 6.suport; 7.surub de strangere; 8.suport rigla; 9.reazem.

Datele obtinute se vor tabela conform tabelului 6.11. experimentarile se vor face pentru cel putin trei regimuri de sudare, de fiecare data cu electrozi acizi, bazici, titanici si pentru o serie de marci de oteluri. In baza datelor tabelate obtinute pentru variatia sagetii de deformare dealungul cusaturii de sudura se va trasa graficul corespunzator pentru fiecare regim aplicat interpretandu-se influenta regimului de sudare in conditiile date ale experimentarii (material, tipul electrodului, regimul de sudare, grosimea cusaturii, etc.), asupra efectului de tensionare - deformare a piesei sudate.

Tabelul 6.11

Graficul se va trasa dupa modelul din figura 6.50.

In cazul determinarii dinamice a deformatiilor in procesul de sudare se foloseste dispozitivul din fig. 6.51. care se compune din doua parti si anume :

- dispozitivul de sudare care este acelas dispozitiv folosit la sudarea semiautomata cu electrod inclinat, la care s-a adaptat un alt dispozitiv de prindere a epruvetei : 1.generator de sudare; 2.conductoare electrice;3.brat suport; 4.opritor; 5.electrod; 10. epruveta;12.masa.

- dispozitiv de inregistrare dinamica a deformatiei epruvetei in timpul sudarii compus din :11.motor; 9.reductor; 8.sistem de parghii; 7.tambur de antrenare a hartiei; 6.paravan de protectie.

Pentru efectuarea determinarii se fixeaza epruveta cu un capat in menghina iar capatul liber se fixeaza la dispozitivul de inregistrare. Se traseaza axele de coordonate pe tamburul de inregistrare, se amorseaza arcul electric asa cum a fost expus in lucrarea 6.6. Incercarile se vor face pentru diferite regimuri de sudare, variind pe rand intensitatea curentului de sudare, tensiunea, diametrul electrodului, tipul electrodului, viteza de sudare fiind considerata constanta.

In final se va face interpretarea diagramei alegandu-se regimul optim de sudare pentru un otel de constructii sudate dat, la care valoarea deformatiilor este minima , ajutorul diagramei S = S(I); S = S( _al); S =S(U).

In cadrul lucrarii studentii vor face si incercarii tehnologice de punere in evidenta a deformatiilor la sudare urmarind si posibilitatile de prevenire a acestora, un exemplu fiind dat in fig.6.46. In acest caz, pentru preintampinarea deformatiilor tablele se vor aseza cu o contra sageata initiala astfel ca dupa executarea sudurii, prin deformare sa fie aduse in pozitie initiala.

Un alt exemplu ar fi dat in fig.6.25, la care deformatia se produce datorita contractiei transversale. Pentru eliminarea acestei deformatii tablele se vor fixa de la inceput prin punct de sudura astfel incat ele nu se mai pot deplasa una in raport cu cealalta. Acelasi efect se obtine daca se sudeaza dupa procedeul "inversat" adica se incepe din a pana in b si se continua din c in d si asa mai departe.

5. Continutul referatului intocmit de studenti

Va cuprinde partea introductiva a lucrarii, dispozitivele cu care sau facut determinarile, diagramele obtinute practic in cadrul lucrarii, diagramele trasate de fiecare student atat pentru determinarea statica cat si pentru cea dimanica, cum si concluziile care rees din lucrarea referitoare la referitoare la regimul optim de sudare care trebuie adoptat.

6.13. Tehnologia imbinarii prin lipire

6.13.1. Consideratiuni generale

Lipirea este un procedeu de imbinare a doua piese metalice, folosind un metal sau aliaj de adaos topit, diferit de acela al pieselor de imbinat, temperatura de topire a materialului de adaos fiind mai joasa decat cea a materialului de baza.

Lipitura este imbinarea rezultata din aplicarea unui procedeu de lipire, imbinare ce se realizeaza prin procedee de difuziune la suprafata de contact intre materialul de adaos topit si materialul de baza netopit.

Procedeele de lipire se clasifica astfel :

a. dupa temperatura de topire a materialului de adaos :

- lipirea moale care se realizeaza cu materiale de adaos care se topesc sub 450 ⁰ C;

- lipirea tare care se realizeaza cu materiale de adaos cu punct de fuziune mai mare de 450 ⁰ C;

b. dupa forma imbinarilor deosebim :

- imbinari prin depunere, la care materialul de adaos se introduce in rostul imbinarii ca la sudarea cu flacara;

- lipirea capilara la care materialul de adaos patrunde singur in rostul imbinarii (prin capilaritate);

- procedee de lipire cu incalzire locala;

- procedee de lipire cu incalzire totala;

Aliaje de lipit care constituie materialul de adaos trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii tehnice generale :

a. temperatura lor de topire sa fie totdeauna mai joasa decat a materialului de baza;

b. intervalul lor de topire sa fie cat mai mic;

c. compozitia chimica sa difere de cea a materialului de baza;

d. sa posede proprietati bune de lipire ca : fluiditate, capilaritate si capacitate de umectare;

e. sa posede proprietati mecanice cat mai bune mai ales tractiune, alungire, rezilienta, etc. In standardele romanesti pentru aliaje de lipit sa adoptat a grupare in aliaje pentru lipirea moale si aliaje pentru lipirea tare, aceasta din urma fiind impartita in : alame de lipit si aliaje cu continut de argint.

Aliajele pentru lipirea moale se caracterizeaza mai ales prin temperatura joasa de topire si rezistenta mecanica mica. Cele mai importante sunt aliajele cu staniu (Sn), si plumb (Pb).

Aliajele Sn - Zn reprezinta o mare categorie pentru lipirea moale a aluminiului si a aliajelor sale.

Aliajele pentru lipirea moale sunt cuprinse in STAS 96 - 73 fiind simbolizate de grupul de litere Lp urmat de un grup de cifre care indica continutul de Sn din compozitia chimica a aliajului si la aliajele de stibiu mai urmeaza si simbolul stibiului (Sb) de exemplu Lp 20 Sb, Lp 30, Lp 30 Sb, Lp 40, Lp 65, Lp 90.

Majoritatea aliajelor pentru lipirea moale se livreaza sub forma de bare sau sarme laminate, exceptie facand aliajele sub forma de sarma tubulara (fludur) care contin flux inglobat in interiorul lui si care nu necesita aplicarea separata a altor fluxuri.

Aliajele pentru lipirea tare cuprind : aliajele de aluminiu cu siliciu, aliaje de magneziu, de cupru, de argint, de nichel, etc.

Aliajele de lipire tare standardizate in Romania sunt :

- aliaje cupru - zinc cu adaos de siliciu si staniu, destinate pentru lipirea cuprului, alamei, bronzului, otelurilor si fontei fiind standardizate in STAS 204 - 68 intitulat "Alame pentru lipit - Marci".

Compozitia chimica, impuritatile maxime si temperaturile de topire ale acestor aliaje sunt cuprinse in tabelul 6.24.

Asa cum se observa din tabel, simbolizarea cuprinde Am urmate de simbolul adaosului (Siliciu sau Sn) si literele Lp (lipire).

Natura sarmelor si vergelelor din alama pentru lipit se face indicandu-se denumirea, diametrul si marca aliajului ca de exemplu :

Sarma f3 STAS 294 -70 / Am Si Lp STAS 204 - 68;

Vergea f 4 STAS 294 -70 / Am Si Lp STAS 204 - 68;

Aliajele de lipit cu continut de argint sub forme de bare, vergele de sarma, folosit pentru lipirea metalelor grele si aliajelor lor, sunt standardizate de STAS 8971 - 71.

Tabel 6.24.

Simbolizarea acestor aliaje cuprinde grupul de litere Lp urmat de simbolul chimic Ag si continutul mediu de argint in aliaj, de exemplu : Lp Ag 0,5; Lp Ag 2; Lp Ag 45,etc.

In ultimul timp se utilizeaza tot mai mult aliajele de lipit sub forma de paste compuse din pulberi metalice utilizate direct din topitura aliajului de lipit si dintr-o masa pastrata cu rol de liant.

Fluxurile de lipit au drept scop sa contribuie la curatirea pieselor prin dizolvarea oxizilor superficiali, sa creeze conditii prielnice procesului de fuziune si sa intervina asupra aliajului de lipit modificandu-i tensiunea superficiala, respectiv, marindu-I fluiditatea.

Particularitatile constructive ale imbinarilor lipite

In general este necesar ca la imbinarile lipite sa se respecte urmatoarele reguli constructive :

realizarea pe cat posibil a imbinarilor suprapuse in locul celor cap la cap sau de colt;

stabilirea formei geometrice optime a imbinarii si a marimii rostului intre piese ;

prevederea unor sectiuni de marime egala in dreptul imbinarii;

determinarea cantitatii optime de material de adaos necesar;

utilizarea tipului potrivit a aliajului de lipit si a dimensiunilor sale (sarma vergele, pulbere, folii, etc.);

amplasarea corecta a aliajului de lipit prin imbinare;

fixarea pozitiei relative corecte a pieselor inaintea inceperii operatiei de lipire;

Tipuri de imbinari lipite

Imbinari cap la cap - utilizate atunci cand nu se pot folosi imbinari suprapuse. In fig. 6.72. sunt date cateva imbinari cap la cap. In afara acestor imbinari mai pot fi utilizate o serie de imbinari asemanatoare celor sudate (in x, y, v, k, u, I etc.) specifice lipirii prin depunere direct in rostul imbinarii materialului de adaos .

Imbinari suprapuse -Aceste imbinari sunt cele mai potrivite pentru piese lipite, atat din punct se vedere tehnologic, adica al posibilitatilor de executie, cat si din punct de vedere functional(rezistenta, conductibilitate, durata de functionare ).Marimea suprapunerii, fig.6.73, se determina cu relatia :

l-lungimea suprapunerii, in mm;

R _mb - rezistenta la tractiune a materialului de baza in daN/mm²;

t _af- rezistenta la forfecare a materialului de depus, daN/mm²;

K- coeficentul de siguranta al imbinarii (1,5 .15);

h- grosimea minima a materialului de baza, in mm;

Ca valoare minima pentru lungimea suprapunerii se poate lua de trei ori grosimea cea mai mica a materialului de baza (l = 3 h). In practica se utilizeaza insa valori diferite pentru l; la lipirea tare ele pot ajunge pana la l = 5 h iar la lipirea moale pana la l = 15 h.

Imbinari de colt, figura 6.74, unde depunerea s-a facut prin partea I iar patrunderea prin partea II.

Figura 6.73.

Imbinari combinate fig. 6.75, utilizate foarte mult in lucrari de tinichigerie si ambalaje metalice.

Procesul tehnologic de lipire cuprinde urmatoarele etape generale :

curatirea corespunzatoare a suprafetelor ce se imbina;

alegerea corecta a combinatiei material de baza - aliaj de lipit - flux;

pregatirea directa a imbinarii;

stabilirea temperaturii optime de lucru;

stabilirea duratei optime de lipire;

alegerea procedeului de lipire cel mai potrivit;

tratarea pieselor dupa lipire;

controlul calitatii imbinarii lipite.