arcul electric la sudare
TRANSCRIPT
-
8/3/2019 Arcul Electric La Sudare
1/21
IMST - INGINERIA SI MANAGEMENTUL SISTEMELOR
TEHNOLOGICE
Master IMPSC IMSc
-
8/3/2019 Arcul Electric La Sudare
2/21
-
8/3/2019 Arcul Electric La Sudare
3/21
VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST
1.1. Zonele caracteristice ale arcului electric
Experimental, s-a constatat ca, de indata ce curentul prin arcul electric
depaseste o anumita valoare relativa mica, caderea de potential in lungul
arcului se repartizeaza intr-un mod neuniform caracteristic, prezentat
schematic in figura 1, in care 1 reprezinta electrodul pozitiv (anod), iar 2
electrodul negativ (catod).
Curentul electric prin arc a fost notat cu l, U semnifica diferenta de
potential dintre electrozi, iar Ua tensiunea arcului.
In imediatata vecinatate a anodului, se inregistreaza pe o distanta
foarte scurta (la) in zona anodica, o cadere de tensiune (Ua) denumita cadere
de tensiune anodica. Urmeaza o zona mult mai extinsa de lungime coloana
arcului, pe care se manifesta o cadere de tensiune (Uc) caderea de tensiune
pe coloana.
Potentialul variind dupa o dreapta pe lungimea coloanei, inseamna ca
pe aceasta portiune intensitatea campului electric (E) este constant.
Uk
Uc
21
l
lklcla
U
Ua
I E
-
8/3/2019 Arcul Electric La Sudare
4/21
VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST
In imediata vecinatate a catodului, pe o distanta foarte scurta (lk)
zona catodica, se inregistreaza o importanta cadere de tensiune (Uk) cadere
de tensiune catodica.
Mentionam cateva valori uzuale:
Ua = 2 3 V;
Uk > Ua, Uk= 10 20 V;
Uc depinde de lungimea arcului;
la = 10-4cm;
lk = 10-5-10-3 cm
lc = 10-1 -100 cm
Datorita faptului ca lk + la este foarte mica in raport cu (lc), se poate
considera ca (lc) este egala cu lungimea arcului, (l) fiind aproximativ egal cu
distanta dintre electrozi.
O asemenea reprezentare a tensiunii evidentiaza existenta unor
procese diferentiate caracteristice in cele trei zone (catodica, anodica,
coloana).
La arcuri suficient de lungi ca cele de la sudare, procesele dintr-o zona
influenteaza putin in mod direct procesele din zona alaturata asa ca ele pot fi
analizate separat.
-
8/3/2019 Arcul Electric La Sudare
5/21
VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST
1.2. Procese in coloana arcului
In conditiile unui arc electric arzand, ionizarea in coloana este posibila
fie ca urmare a ciocnirii particulelor fie prin fotoionizare (introducere de
cuante de energie prin fotoni efect neglijabil la sudare).
Concomitent cu ionizarea au loc si procese inverse, de deionizare, prin
unirea anumitor ioni pozitivi cu electronii intalniti.
In conditii de echilibru, numarul ionilor produsi in unitatea de timp
este egal cu numarul celor neutralizati in unitatea de timp. Electronii liberi
aflati sub influenta campului electric (E) sunt accelerati progresiv,
dobandind o energie din ce in ce mai mare pe masura cresterii vitezei lor.
Din ciocnirea electronilor accelerati pana la diferite viteze si
moleculele gazului prezent pot sa rezulte:
- disocierea in forma atomica a gazelor moleculare;
- excitarea, adica trecerea unui electron de pe o orbita cu energie
inferioara pe o orbita cu energie mai mare;
- ionizarea, adica smulgerea unui electron de pe orbita, ce devine astfel
liber. Ionizarea este deci un caz limita al excitarii, cand electronul
dobandeste o energie mai mare decat aceea corespunzatoare nivelului
de excitare maximum posibil.
Energia ce trebuie transferata electronului pentru a-l desprinde de
atom (pentru a efectua ionizarea) se masoara in V si se numeste
potential de ionizare (Ui).
-
8/3/2019 Arcul Electric La Sudare
6/21
VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST
1.3. Procese in zona catodica
Zona catodica cat si zona anodica sunt zone de tranzitie deoarece din
punct de vedere electric asistam la trecerea din conductorul metalic, unde
curentul este exclusiv electronic, la un conductor gazos unde curentul este
atat electronic, cat si ionic.
Din punct de vedere termic, asistam la trecerea de la un electrod
relativ rece in plasma mult mai calda.
In zona catodica procesul de baza este emiterea de electroni deoarece
cu ajutorul acestor electroni accelerati in campul electric existent se
realizeaza procesul de ionizare in coloana.
Se cunosc urmatoarele tipuri de emisie electronica:
- emisie termoelectronica, specifica electrozilor nefuzibili care se
incalzesc intens;
- emisie autoelectronica, specifica electrozilor fuzibili;
- emisie fotoelectronica stimulata prin incidenta unei radiatii;
- emisie secundara produsa prin bombardarea catodului de particule
grele (atom, ioni) sau chiar fascicol de electroni.
-
8/3/2019 Arcul Electric La Sudare
7/21
VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST
1.4. Forme particulare ale arcului electric, functie de materialul
catodului
In functie de materialul catodului se deosebesc doua forme particulare
ale arcului, si anume:
- arc cu electrod refractar (figura 2, a cu pata catodica, b fara pata
catodica);
- arc cu electrod fuzibil.
Arc cu electrod refractar
Forma particulara a arcului electric in acest caz este prezentata in
figura 2, in care: 1 - este contact electric prin intermediul caruia se realizeaza
trecerea curentului la electrodul de wolfram; totodata el asigura si racirea
electrodului care este cu atat mai intensa cu cat este mai mica lungimea
libera, 2 lungimea arcului, 3 pata catodica, 4 material in stare lichida
sau pastoasa, 5 aureola luminoasa a arcului.
Cazul din figura a), arc cu pata catodica, se intalneste mai ales la
curenti de sudare mici, o racire intensa a catodului si la un catod ascutit. Se
realizeaza o coloana stransa a catodului, instaurandu-se o densitate de curent
mare 105 A/cm2. Rolul preponderent il are in acest caz emisia
autoelectronica in pete.
Situatia din figura b), arc fara pata catodica apare la curenti de sudare
mari, la o racire slaba a catodului si la un catod rotunjit. Odata cu marirea
curentului coloana arcului isi mareste diametrul, ajungandu-se la o scadere
de 10-100 ori a densitatii de curent in jur de 103 A/cm2, disparand pata
catodica distincta. In asemenea conditii creste temperatura catodului astfel
incat rolul preponderent il dobandeste emisia termoelectronica.
-
8/3/2019 Arcul Electric La Sudare
8/21
VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST
Caracteristica statica a arcului electric
Reprezinta dependinta functionala a tensiunii arcului in functie de
curentul de sudare la o valoare constanta a lungimii arcului.
Arc cu catod fuzibil
Catodul este realizat din material relativ usor fuzibil, de exemplu
aliaje de Fe; rezulta ca temperatura electrodului este sensibil mai mica decat
la electrodul refractar, vorbindu-se in acest caz despre un arc cu catod rece.
Caracteristicile acestui tip de arc sunt urmatoarele:
- se realizeaza densitati de curent foarte mari in pata, in jur de 106 107
A/cm2;
- pot coexista mai multe pete catodice;
- se inregistreaza o miscare a arcului pe suprafata catodica;
- suprafata catodului se evapora intens;
- caderea de tensiune catodica este mai mare decat in cazul electronilor
refractari
Influenta campului magnetic
Atat pata catodica cat si arcul pot fi deplasate sub influenta unui camp
magnetic exterior.
Cateodata, la arcul cu catod rece poate sa apara si o miscare pe
directia contrara acestei forte.
Campul magnetic neuniform din zona petei, probabil si din alte cauze,
determina prin fortele ce intervin in cazul arcului cu catod rece, o migrare
haotica a petei si chiar o divizare a acesteia.
Acest complex de fenomene este denumit criza a petei catodice. Drept
urmare a acestor crize, se considera ca arcul cu catod rece are o instabilitate
inferioara.
-
8/3/2019 Arcul Electric La Sudare
9/21
VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST
1.5. Zona anodica
In toate cazurile anodul nu emite ioni pozitivi.
Aceasta inseamna ca in zona anodica curentul este pur electronic.
Surplusul de electroni care se acumuleaza in zona catodica da nastere
unui camp electric suplimentar, aparand astfel caderea de tensiune anodica.
Aceasta cadere de tensiune poate fi calculata pe baza energiei necesare
pentru crearea de ioni pozitivi in zona anodica.
-
8/3/2019 Arcul Electric La Sudare
10/21
VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST
1.6. Interactiunea arc electric camp magnetic
In figura a) este prezentata situatia in care electrodul si legatura la
masa sunt coaxiale. Curentul prin coloana I1 da nastere unui camp magnetic
de inductie B1. Curentul prin piesa I2 da nastere unui camp magnetic de
inductie B2. Distributia spatiala a acestora, face ca forta electromagnetica F1
sa fie egala cu forta electromagnetica F2, astfel incat coloana arcului electric
e mentinuta verticala.
1
F1=F2
F2 F1I1
I22
a)
B1
B2
-
8/3/2019 Arcul Electric La Sudare
11/21
VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST
In figurile b) si c) masa electrodului nu este coaxiala cu electrodul. Ia
nastere un curent prin pies I2, ce determina un camp magnetic B2 care
compunandu-se cu campul magnetic determinat de curentul prin coloan
face ca intensitatile campului magnetic sa fie diferite, rezultand forte
electromagnetice diferite ce actioneaza de o parte si de alta a coloanei,
coloana arcului fiind deviata in partea opusa punctului de legare la masa.
1
F2>F1
F2 F1I1
I2 2
b)
B1
B2
1
F1>F2
F2 F1I1
I2 2
c)
B1
B23
-
8/3/2019 Arcul Electric La Sudare
12/21
VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST
In figura d) este prezentat cazul sudarii langa o masa feromagnetica 4.
Datorita permeabilitatii magnetice mai mari, a fierului fata de aer, campul
magnetic ce va inchide prin masa feromagnetica si coloana arcului va fi
deviata spre aceasta. Se obtine astfel o abatere a cusaturii fata de axa
cusaturii prevazute.
In figura e) este prezentata situatia sudarii intr-un rost adanc, cand
coloana arcului e deviata catre marginile rostului putand rezulta defectul
nepatrundere la radacina.
3
1
2
d)
Fe
4
2e)
11
2
-
8/3/2019 Arcul Electric La Sudare
13/21
VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST
In figura f) este prezentata situatia sudarii cu arce gemene in care
electrozii sunt alimentati de la aceeasi sursa de curent. Campurile magnetice
de inductie B1 si B2, generate de cei 2 curenti se insumeaza si intensitatea
campului rezultant e mai mica intre cele doua arce; coloanele arcelor
apropiindu-se, se obtine astfel o adancime de patrundere mai mare si o
micsoarare a latimii cusaturii.
1
I1B1
1
I2
2
f)
B2
3 3
-
8/3/2019 Arcul Electric La Sudare
14/21
VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST
In figura g) este prezentata situatia alimentarii celor doua arce de la
surse diferite, rezultand o indepartare a coloanelor celor doua arce, o
micsorare a adancimii de patrundere si o marire a latimii cusaturii, situatie
folosita indeosebi la placare.
De mentionat faptul ca la sudarea in curent alternativ aceste fenomene
cunoscute sub numele de suflaj magnetic sunt mult mai putin intense. Ca
atare, suflajul magnetic rezultat ca arc electric camp magnetic prezinta ingeneral efecte nefavorabile, care trebuiesc cunoscute si contracarate prin
masuri adecvate.
1
I2
1
I1
2
g)
3 3
-
8/3/2019 Arcul Electric La Sudare
15/21
VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST
1.6.1. Interactiunea arc electric camp magnetic creat de
electromagneti exteriori
In figura a) este prezentata pendularea longitudinala:
1 material de baza
2 cusatura solidificata
3 baie de metal lichid
J densitate de curent
P1, P1 poli ai unui electromagnet alimentat cu o tensiune
alternativa si frecventa variabila
Vs viteza de sudare
B1, B2 inductie variabila la alternanta tensiunii de alimentare
F1, f2 forte electromagnetice ce actioneaza asupra coloanei
B2
P1 P1
F1
F2vs
B1
-
8/3/2019 Arcul Electric La Sudare
16/21
VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST
In situatia in care este valabila inductia B1 asupra coloanei aerului
actioneaza forta electromagnetica F1, care penduleaza spre inainte coloana
arcului, ceea ce are ca efect o preincalzire locala a materialului de baza.
Rezultatele acestei interactiuni le constituie pe de o parte preincalzirea
materialului, ce are ca efect micsorarea vitezei racite, si o amestecare mai
buna a metalului baii rezultand o granulatie mai fina si o rezistenta mai mare
fata de fisurarea la cald.
In figura b) este prezentata situatia in care cei doi electromagneti P1 si
P1 sunt montati coaxial cu directia de deplasare a arcului, situatie in care
fortele electromagnetice rezultante deplaseaza transversal coloana arcului,
adica determinand pendularea transversala a acesuia.
Nu se mai realizeaza o preincalzire a materialului, dar se realizeaza o
marire a latimii cusaturii si o amestecare mai buna a metalului baii cu
consecintele aratate anterior.
JB2
P1
P1
F1 F2
vs
B1
3
21
-
8/3/2019 Arcul Electric La Sudare
17/21
VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST
In figura c) este prezentata situatia in care coaxial cu electrodul se
monteaza o bobina (4), un electromagnet, care determina aparitia unei
inductii cre determina asa numita pulsare axiala a baii de metal lichid care
ocupa succesiv pozitiile 6 si 7. Componenta radiala a inductiei imprima
purtatorilor de sarcina si chiar purtatorilor de metal o traiectorie elicoidala
care determina o traiectorie mai buna, ceea ce are ca efect o micsorare a
granulatiei si o tendinta de reducere a fisuratiei la cald.
In toate cazurile prezentate, amplitudinea pendularii este determinata
de valoarea tensiunii de alimentare a electromagnetilor, iar frecventa de
pendulare e determinata de frecventa tensiunii alternative cu care se
alimenteaza electromagnetii.
Avantajul notabil al acestor metode de pendulare il constituie lipsa
maselor in miscare si posibilitatea conducerii coloanei arcului dupa
traiectorii complexe si la frecvente si amplitudini variabile.
1
2
3
4
5
67
I
-
8/3/2019 Arcul Electric La Sudare
18/21
VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST
2. Arc electric constrans (jet de plasma)
De-a lungul timpului, s-a pus accent deosebit pe metodele de crestere
a temperaturii arcului electric prin constrangerea fortata a coloanei arcului,
realizata in arzatorul de plasma.
Temperatura coloanei arcului electric deschis, acoperit sau protejat
ajunge la 6000-8000 oC. Cu ajutorul arzatoarelor de plasma se poate ajunge
temperatura pana la 30.000 oC si mai mult.
Constrangerea arcului poate fi realizata pe mai multe cai. Metoda cea
mai raspandita consta in limitarea diametrului coloanei arcului printr-un
ajutaj special.
Pentru cresterea temperaturii este necesar sa se asigure cresterea
puterii intr-un volum constant al arcului electric, ceea ce se obtine prin
folosirea arcului constrans. Transferul de caldura este de ordinul a 104-105
W/cm2 suficient pentru a topi aproape orice corp solid, comparativ cu flacara
oxiacetilenica care este de ordinul 102-103 W/cm2.
Se poate observa in figura cum arcul electric constrans arde intre un
electrod central de wolfram 1, legat la polul negativ, si un ajutaj 2, legat la
polul pozitiv racit cu apa.
-
8/3/2019 Arcul Electric La Sudare
19/21
VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST
Gazul protector (plasmagen), care se trimite in arzator, iesind din
ajutaj, constrange suplimentar coloana arcului, izolandu-l de peretii
ajutajului si elimina gazele incalzite pana la temperaturi inalte adica plasma
in afara arzatorului. Pentru ca ajutajul sa nu se topeasca, el se executa dintr-
un material cu o conductibilitate termica ridicata (indeosebi din cupru) si
este racit cu apa.
Gazul se incalzeste la temperatura inalta, se ionizeaza, se dilata mult siiese din ajutaj sub forma unul jet de plasma stralucitor si foarte cald, care se
foloseste in diferite scopuri tehnologice, precum sudare, taiere.
Unul din multiplele avantaje de mare importanta ale acestui arc este
posibilitatea larga de alegere a regimului de lucru in comparatie cu
procedeele obisnuite de lucru cu arc electric.
Pentru crearea jetului cu inalta temperatura, la sudarea cu electrod de
wolfram se folosesc gazele argon, heliu; uneori se utilizeaza amestecul
acestor gaze cu hidrogen si azot. Adaugarea hidrogenului ridica brusc
tensiunea arcului si tensiunea lui de aprindere, ceea ce duce la necesitatea
-
8/3/2019 Arcul Electric La Sudare
20/21
VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST
ridicarii tensiunii de mers in gol a surselor de alimentare cu curent (200
400 V).
Deosebirea pe care o are caracteristica statica a arcului constrans fata
de arcul ce arde liber nu necesita proprietati speciale de la sursele de
alimentare cu curent, insa tensiunea lor de mers in gol este mult mai mare.
Se folosesc mai ales sursele de alimentare cu caracteristicile externe
brusc coboratoare, pentru ca variatia spatiului arcului de lucru ale arzatorului
propriu sa nu se modifice.
In figura este reprezentata schema electrica de principiu pentru legarea
unul arzator de plasma: 1 convertizor de curent continuu; 2 generator de
inalta frecventa; 3 electrod de wolfram, 4 argon + hidrogen; 5 ajutaj
racit cu apa; 6 piesa
Se deosebesc 2 forme de jet de plasma: un jet care se suprapune cu
coloana arcului si al doilea jet care se degaja in primul. In primul caz, arcul
arde intr-un canal ingust intre electrodul de wolfram (catod) si piesa (anod)
si se numeste arc direct sau transferat; in al doilea caz, arcul arde intre
electrodul de wolfram si ajutaj (anod) si se numeste arc pilot de plasma.
-
8/3/2019 Arcul Electric La Sudare
21/21
VINTIL Nicu AlinMaster an 1 - IMST
Bibliografie
Bazele Proceselor de Sudare V. Miclosi, Gh. Solomon, Bucuresti,
1993
Utilajele sudarii electrice Vl. Popovici, A. Ivancenco, Bucuresti,
1968