CALIFICAREA PROCEDURILOR DE SUDARE CU ARCUL ELECTRIC A BOLŢURILOR DE DIMENSIUNI MARI

Mircea Burcă1, Gh. Gliţa1, Doru Dumbravă1,2, Cristian Stoian3, Cristian Toma3

Rezumat Lucrarea prezintă rezultatele unor cercetări experimentale privind tehnologiile de sudare şi încercările tehnologice în vederea calificării procedurilor de sudare cu arcul electric cu inel ceramic şi amorsare prin ridicare (783/SR EN ISO 4063/2000) a bolţurilor cu diametrul de 16mm, 19mm şi 22mm conform normelor SR EN ISO 14555/2002. 1. Introducere Sudarea bolţurilor cu arcul electric este un procedeu de sudare larg răspândit pe plan mondial utilizat la fixarea nedemontabilă a unor elemente de tipul bolţurilor, gujoanelor, şuruburilor, ştifturilor, bucşelor. Sudarea bolţurilor este utilizată printre altele în construcţia podurilor metalice, a construcţiilor metalice din oţel, construcţia navelor, construcţia mijloacelor de transport, construcţia aparatelor, construcţia cazanelor şi construcţia aparatelor electrocasnice, figura 1. În domeniul construcţiilor procedeul este întâlnit frecvent pentru fixarea betoanelor pe elementele metalice (stâlpi, grinzi, plafoane). Procedeul se caracterizează prin simplitate, productivitate mare, calitate foarte bună a îmbinării sudate, cost redus, echipamente de sudare simple şi uşor de manipulat, flexibilitate, fiind considerat în prezent cel mai eficient mijloc de îmbinare a elementelor de tipul bolţurilor. Procedura de sudare reprezintă o succesiune specificată de acţiuni care trebuie să fie urmată în cazul execuţiei unei suduri, incluzând referiri la materiale, pregătire, metoda de sudare şi controlul sudurii, tratamentul termic după sudare precum şi echipamentul necesar care trebuie utilizat. Specificaţia procedurii de sudare (WPS) reprezintă un document care prevede în detaliu variabilele necesare unei aplicaţii specifice pentru asigurarea reproductibilităţii. Acest documentul se întocmeşte pe baza Procesului verbal de calificare a procedurii de sudare WPAR, care cuprinde toate datele relevante despre sudarea unei probe necesare pentru calificarea unei proceduri de 1 Colectivul Utilajul şi Tehnologia Sudării, Facultatea de Mecanică, Universitatea “Politehnica” din Timişoara 2 Secţia Construcţii Metalice şi Sudură, Academia Română - Filiala Timişoara 3 Secţia Utilajul şi Tehnologia Sudării, anul V, Facultatea de Mecanică, Universitatea “Politehnica” din Timişoara

223

sudare, precum şi toate rezultatele obţinute în urma examinării şi încercării probelor sudate. Specificaţia procedurii de sudare se întocmeşte conform normativului SR EN 288-3+A1/1997.

Figura 1. Aplicaţii ale sudării bolţurilor

224

Pentru calificarea procedurii de sudare a bolţurilor în România se utilizează în prezent standardul SR EN ISO 14555/2002 (disponibil deocamdată doar în varianta în limba engleză), care înlocuieşte vechiul STAS 3019/91, abrogat. Se precizează că între cele două standarde există diferenţe esenţiale privind încercările şi verificările la care sunt supuse bolţurile în vederea certificării. Procedeul este cunoscut în mai multe variante de sudare. Pentru bolţuri cu diametru mare (d>15mm) se utilizează varianta de sudare cu arcul electric cu inel ceramic şi amorsare prin ridicare, simbol 783, conform SR EN ISO 4063/2000. Principiul sudării bolţurilor cu arcul electric este prezentat în figura 2. Bolţul este fixat iniţial de către operatorul sudor în bucşa elastică a pistoletului de sudare de construcţie specială şi poziţionat pe suprafaţa piesei în locul unde urmează a fi sudat. Prin apăsarea butonului de pornire a pistoletului, curentul de sudare trece prin bolţ producând încălzirea vârfului acestuia, iar prin ridicarea uşoară şi pentru un timp scurt a bolţului de pe suprafaţă se amorsează un arc electric care produce topirea vârfului bolţului şi topirea locală a piesei. La întreruperea arcului electric bolţul este împins (plonjează) cu o forţă relativ mică, prin intermediul unui resort amplasat în capul pistoletului, în baia metalică şi prin amestecarea şi solidificarea băii comune rezultă îmbinarea sudată.

Figura 2. Principiul sudării bolţurilor cu arc tras cu amorsare prin ridicare

Principalele particularităţi ale sudării bolţurilor cu arcul electric cu amorsare prin ridicare sunt:

- diametrul bolţului: db = 3 - 25(30) mm; - curentul de sudare: Is = 200 … 3000 A; - timpul de sudare: ts = 100 … 3000 ms.

2. Încercări şi verificări Pentru cercetare au fost utilizate următoarele materiale: bolţuri cu cap tip SD ∅16x100, ∅19x150 şi ∅22x150 respectiv inelele ceramice tip SN16, SN19 şi SN22, conform normelor europene EN ISO 13918/1998. Bolţurile sunt executate din oţel tras marca S235J2G3+C450/SR EN 10025+A1/94. Pentru sudare s-a utilizat o instalaţie specializată de curenţi mari, tip ELOTOP 3002 destinată sudării bolţurilor cu inel ceramic cu dimensiuni cuprinse între 6... 25mm, cu reglarea continuă a curentului de sudare între 300 ... 2600A şi cu reglarea continuă a timpului de sudare între 20 ...2000ms, respectiv pistoletul de sudare tip K24 destinat sudării bolţurilor cu inel ceramic cu diametrul între 13 ... 22mm, prevăzut cu sistem reglabil de frânare hidraulică la plonjarea bolţului în baia metalică. Echipamentele de sudare sunt produse de firmele Köster&Co GmbH respectiv Köco din Germania.

225

Valorile parametrilor tehnologici de sudare rezultaţi în urma încercărilor experimentale, pentru cele trei dimensiuni de bolţuri, sunt prezentate în tabelul 1.

Tabelul 1. Tehnologii experimentale de sudare a bolţurilor

db (mm)

Curentul de sudare

Is (A)

Timpul de sudare

ts (s)

Adâncimea de plonjare

P (mm)

Înălţimea de ridicare

L (mm) Observaţii

16 1300 0,6 3,0 3,5

19 1700 0,8 4,0 3,5

22 2000 1,0 4,0 4,5 Vpl

.=10

0 m

m/s

Conform normelor SR EN ISO 14555/2002 au fost sudate un număr de 17 bolţuri din fiecare diametru. În vederea calificării procedurii de sudare a bolţurilor cu diametrul mai mare de 12mm, utilizate pentru transmiterea forţei, bolţurile sudate sunt supuse următoarelor încercări şi verificări:

- control vizual: toate bolţurile; - încercarea la încovoiere: 10 bolţuri; - încercarea la tracţiune: 5 bolţuri; - analiza macroscopică: 2 bolţuri; - încercări de duritate (verificare suplimentară): se efectuează pe bolţurile aferente analizei

macroscopice; - bolţuri suplimentare.

Bolţurile sudate trebuie să fie lipsite de defecte, respectiv cele admise trebuie să se încadreze în toleranţele prescrise de normativ. Controlul bolţurilor sudate urmăreşte evidenţierea defectelor de tipul porilor, fisurilor, incluziunilor, retasurilor, respectiv a defectelor de formă şi poziţionare. În acest sens se dau următoarele prescripţii:

- fisurile nu sunt permise; - defectul maxim din suprafaţa casurii (ruperii) să nu depăşească 20% din diametrul

bolţului; - numărul însumat al defectelor (chiar şi minore) nu pot depăşi (în mm) ca număr

diametrul bolţului; - porii sub 0,5 mm diametru nu se iau în considerare (nu constituie defect); - suprafaţa totală a defectelor nu poate depăşi 5% din secţiunea bolţului, tabelul 2.

Tabelul 2. Corelaţia dintre diametrul bolţului şi mărimea admisă a defectelor

Diametrul bolţului db(mm)

Mărimea admisă a defectelor singulare ≤ d/5 (mm)

Suprafaţa admisă a defectelor însumate ≤ A/20 (mm2)

16 3,2 10,0 19 3,8 14,2 22 4,4 19,0

3. Analiza rezultatelor 3.1. Controlul vizual urmăreşte analiza formei şi uniformitatea convexităţii sudurii, figura 3. Nu sunt admise defecte de tipul gâtuirii sudurii, gulerului cu discontinuităţi (întreruperi), gulerului asimetric (suflaj magnetic) sau stropirilor puternice.

226

Figura 3. Aspectul vizual, db=19mm

Se observă că gulerul (bavura sudurii) este continuu, uniform ca lăţime şi înălţime pe întreg conturul, cu aspect estetic şi fără împroşcări de stropi pe suprafaţa tablei. 3.2. Încercarea la îndoire se poate face prin îndoirea bolţului cu ajutorul unei ţevi sau prin lovire cu ciocanul, figura 4. Dacă în zona influenţată termic, ZIT, apare o fisură fără deformare trebuie verificată compatibilitatea la sudare a metalelor de bază. Condiţia de acceptare impusă şi anume, absenţa fisurilor pe fibra întinsă după îndoirea la un unghi de 60°, a fost confirmată pentru toate cele 10 bolţuri, corespunzătoare fiecărui diametru sudat, 16mm, 19mm, respectiv 22mm.

Figura 4. Încercarea la îndoire

3.3. Încercarea la tracţiune. Încercarea se consideră admisă dacă ruperea se produce în bolţ sau tablă în afara zonei sudurii şi aceasta are loc după o deformare prealabilă a materialului. Ruperea în îmbinarea sudată sau ZIT este permisă în acest caz dacă aceasta are loc la o valoare a solicitării mai mare decât rezistenţa metalului de bază al bolţului. Rezultatele încercării la tracţiune sunt prezentate în tabelul 3, iar caracterul ductil al ruperii în figura 5.

Tabelul 3. Încercarea la tracţiune

Nr.

prob

ei

Forţa

de

rupe

re

(kN

)

Locu

l ru

perii

Rez

iste

nţa

la r

uper

e (N

/mm

2 )

Nr.

prob

ei

Forţa

de

rupe

re

(kN

)

Locu

l ru

perii

Rez

iste

nţa

la r

uper

e (N

/mm

2 )

Nr.

prob

ei

Forţa

de

rupe

re

(kN

)

Locu

l ru

perii

Rez

iste

nţa

la r

uper

e (N

/mm

2 )

db = 16mm db = 19mm db = 22mm T.1 113,0 MB - bolţ 562,3 T.6 159,0 MB - bolţ 561,1 T.11 199,0 MB - bolţ 523,8 T.2 101,5 MB - bolţ 505,0 T.7 161,5 MB - bolţ 569,9 T.12 197,5 MB - bolţ 519,8 T.3 102,5 SUDURĂ 510,0 T.8 160,5 MB - bolţ 566,4 T.13 198,0 MB - bolţ 521,1 T.4 101,5 MB - bolţ 505,0 T.9 163,0 MB - bolţ 575,2 T.14 205,0 MB - bolţ 539,6 T.5 99,5 MB - bolţ 495,1 T.10 159,5 MB - bolţ 562,8 T.15 202,5 MB - bolţ 533,0

227

Figura 5. Încercarea la tracţiune

3.4. Analiza macroscopică, evidenţiază geometria sudurii şi eventualele macrodefecte. Acestea nu pot depăşi valorile admise, vezi tabelul 2. Au fost analizate câte două probe pentru fiecare diametru, figura 6, secţionate în două plane perpendiculare. În toate cazurile se observă o sudură perfect conturată cu o geometrie corespunzătoare, iar în îmbinarea sudată nu sunt evidenţiate nici un tip de defecte interne. Defectele din guler, porii sau lipsa de legătură dintre guler şi bolţ nu sunt considerate defecte (evident, nu fac parte din secţiunea de rezistenţă a sudurii). Porii cu dimensiuni sub 0,5 mm, dacă apar nu constituie motiv de refuz.

∅16mm ∅19mm ∅22mm

Figura 6. Aspectul macroscopic al sudurilor (Atac: NITAL 10%) 3.5. Rezultatele măsurătorilor de duritate Vickers HV5 pentru cele trei diametre de bolţ sunt prezentate în tabelele 4, 5 şi 6. Dispunerea amprentelor de duritate este prezentată în figura 7. Duritatea maximă se află în ZIT-ul din bolţ sau din tablă, dar la valori sub valoarea critică de 350HV5. Prin urmare nu se produce fragilizarea materialului la sudare.

Tabelul 4. Măsurători de duritate VICKERS HV5, db = 16mm

Zona investigată* Proba Proba 3.1. Proba 3.2. Direcţia I - I II - II III - III I - I II - II III - III

MBb 192 183 190 182 178 185 ZITb 204 214 206 221 199 212 MT 249 249 236 246 257 262 ZITt 221 203 192 185 216 195

MBt 130 133 130 127 129 127

* MBb – metal de bază bolţ; ZITb – zona influenţată termic bolţ; MT – metal topit; ZITt – zona influenţată termic tablă; MBt – metal de bază tablă.

228

Figura 7. Dispunerea amprentelor de duritate

Tabelul 5. Măsurători de duritate VICKERS HV5, db = 19mm

Zona investigată * Proba Proba 2.1. Proba 2.2. Direcţia I - I II - II III - III I - I II - II III - III

MBb 214 206 203 210 203 195 ZITb 299 310 296 286 313 325 MT 249 262 246 243 259 256 ZITt 203 199 203 201 200 202

MBt 137 134 136 133 134 131 * MBb – metal de bază bolţ; ZITb – zona influenţată termic bolţ; MT – metal topit; ZITt - zona influenţată termic tablă; MBt – metal de bază tablă.

Tabelul 6. Măsurători de duritate VICKERS HV5, db = 22mm

Zona investigată * Proba Proba 1.1. Proba 1.2. Direcţia I - I II - II III - III I - I II - II III - III

MBb 192 183 188 190 195 188 ZITb 246 280 260 299 289 310 MT 234 236 227 249 234 257 ZITt 221 219 210 210 199 229

MBt 167 206 183 144 150 143 * MBb – metal de bază bolţ; ZITb – zona influenţată termic bolţ; MT – metal topit; ZITt - zona influenţată termic tablă; MBt – metal de bază tablă.

4. Concluzii 1. Cercetările experimentale au urmărit:

• stabilirea parametrilor tehnologici de sudare a bolţurilor din oţel cu diametrul de 16mm, 19mm respectiv 22mm, folosind procedeul de sudare cu arcul electric cu inel ceramic cu amorsare prin ridicare; acestea au permis întocmirea procedurilor preliminare de sudare conform exemplului prezentat în figura 8;

• realizarea probelor şi încercărilor, conform SR EN ISO 14555/2000, în vederea calificării procedurii de sudare;

• întocmirea procedurii preliminare de sudare a bolţurilor, pWPS, în vederea calificării tehnologiilor de sudare; vezi exemplul din figura 8, pentru bolţul cu diametrul de 22mm.

2. Rezultatele experimentale obţinute întrunesc cerinţele impuse de normativul SR EN 288-3+A1/1999, pentru calificarea ulterioară a procedurilor de sudare a bolţurilor de diametre mari prin procedeul 783 (SR EN ISO 4063/2000).

229

3. Prin prisma experienţei acumulate şi a rezultatelor obţinute se apreciază că aplicaţiile acestui procedeu modern de sudare a bolţurilor va cunoaşte într-un timp relativ scurt o dezvoltare cu un ritm înalt de creştere pe plan naţional.

Figura 8. Modelul unei specificaţii preliminare de procedură de sudare pentru bolţuri

4. Bibliografie 1. Trillmich, R: Asigurarea calităţii la sudarea bolţurilor. Rev. “Sudura”, Nr.2, 2001. 2. Burcă, M.: Aspecte tehnologice ale sudării bolţurilor cu arcul electric. Volumul “Sesiunea de

comunicări ştiinţifice a ASR”, Cluj-Napoca, 2001. 1. 3. *** AWS Welding Handbook. In: Eighth Edition, Volume 2. 3. *** SR EN 288/1/3/4-99: Specificaţia şi calificarea procedurilor de sudare pentru materiale

metalice. 4. *** SR EN ISO - 14555/2002: Sudarea bolţurilor pe materiale metalice.

230