Apr 162013
 
Multe procedee importante de imbinare utilizeaza arcul ca unealta si sursa de energie. Arcul realizeaza patrunderea si depune materialul de adaos. Mai mult, arcul da energia pentru procesele fizice si metalurgice care sunt importante la sudare.

De asemenea arcul este un tip de gaz ca o descarcare luminiscenta sau un blit real sau artificial, care este posibila doar daca exista suficienti purtatori pentru energie si transport în masa a purtatorilor deasupra golului produs de arc.
Curentul de sudare este in forma de arc intre electrod si baia de sudura. Caldura degajata de arc are ca scop depunerea de material de baza si de adaos. In general, un gaz protector (conform procesului de ardere a invelisului de protectie sau adaugat separat) trebuie sa protejeze arcul cat si faza metalica topita de componentele atmosferice.

arc electricTopirea unui electrod invelit (imaginea din stanga)
In acest caz electrodul este material de adaos si electrod generator de arc in acelasi timp. Electrodul prezentat in imagine este realizat dintr-o sarma metalica care este acoperita de catre un invelis din consumabile si elemente de aliere.
Cand se sudeaza in curent continuu, tipul de polaritate care se foloseste la sudare se refera întotdeauna la electrod.

Deoarece aerul dintre particule este un slab conductor, de obicei nu exista curent intre doi poli cu potentiale diferite, care sunt pozitionate la o anumita distanta unul fata de altul. Cu toate acestea, in anumite conditii se poate obtine un circuit de curent. Daca distanta intre cei 2 poli este mica si tensiunea este mare are loc o descarcare de gaze. Aerul dintre cei 2 poli devine conductor electric prin ionizare. Aceasta se intampla in cazul unei descarcari de gaze prin ionizare brusca. Gazele folosite (gaze de protectie cum ar fi Ar sau CO2) cat si materialele solide (atomi de metale) sunt disociate si ionizate pentru a mentine particulele incarcat.
Exemplele de disociere a moleculelor si ionizare a atomilor sunt prezentate mai jos. Procesele au loc prin adaugarea de energie. Energia necesara pentru a separa un electron din atomul respectiv este definita ca fiind energie ionizanta.
Disocierea este separarea electrolitilor in ionii componenti. Marimea disocierii creste odata cu temperatura si dilutia. Gradul de disociere este relatia dintre molecule disociate in molecule originale. Separarea moleculelor in atomi separati, care are loc la temperaturi ridicate se numeste disociere.
Ex:
N2     ->     N + N
H2     ->     H + H
CO2     ->     CO + O
Ionizarea este detasarea electronilor.
Ex:
N     ->     N+ + e-
H     ->     H+ + e-
Ar     ->     Ar+ + e- + 16 eV
K     ->     K+ + e- + 4 eV
Fe     ->     Fe+ + e- + 7 eV

Energii de ionizare pentru particule incarcate de la suprafata metalului in conditii de sudare.
Fe     ->     Fe+ + e- + 4.8 eV
Al     ->     Al+ + e- + 4,0 eV
Cu     ->     Cu+ + e- + 4.8 eV

Particulele incarcate ale arcului pot fi detasate direct de pe suprafata metalica (ex. suprafata electrodului) cu temperatura ridicata (emisie termica). Vin jurul campului electrostatic, curentul de sudare (emisia campului) defineste directia corespunzatoare de miscare.

Emisia termica: In metal numarul electronilor absorbiti de catre camp creste odata cu temperatura. La o temperatura de aproximativ 3500°C apare o crestere brusca a densitatii de electroni. In acest caz vorbim de o emisie termica.
Deoarece majoritatea metalelor nu pot atinge o asemenea temperatura datorita punctului de topire sub 3500°C, arcul termic este in general gasit cand catodul este dintr-un material cu temperatura mare de topire cum este Wolframul.
Emisia termica nu poate fi exclusa complet in cazul altor metale deoarece cu o incalzire brusca a metalelor poate sa creasca si punctul de topire, iar punctul de topire a unor oxizi metalici este mult mai mare decat la metalele pure.
Emisia campuluii: Fiecare metal emite electroni ce inconjoara metalul intr-un strat fin daca nu exista camp electric. in cazul in care apare un camp electric, acesti electroni sunt extrasi in directia anodului si fac loc altor electroni care pot acum sa fie eliberati. Avand in vedere electronii si ionii produsi in acest fel se poate spune ca cu cat este mai mare numarul lor cu atat creste intensitatea campului. Intensitatea este dependenta de tensiune. Sarcina pozitiva necompensata ce ramane la locul extractiei are tendinta de a mentine in loc electronii. Pentru a elibera electronii din catod trebuie folosita o energie speciala. Aceasta energie se numeste afinitate pentru electroni si se masoara in electroni volti. Afinitatea pentru electroni este o caracteristica specifica mediei diferentelor intre materialele de baza. Mai jos sunt prezentate  afinitatea pentru electroni pentru diferite materiale.
Metal            Functia de lucru [eV]
Aluminiu       3.95
Bariu             2.29
Cesiu              1.36
Fier                4.79
Cupru           4.82
Toriu            3.57
Wolfram       5.36
Wolfram cu invelis de toriu     2.62
Ionizare comuna: Totdeauna exista cativa electroni liberi in atmosfera. O sursa posibila este radiatia cosmica. Daca aceasta radiatie intalneste un electron care orbiteaza un atom, poate fi scos din circuitul lui. Atomul ce ramane se transforma intr-un ion pozitiv. Electronii liberi sunt accelerati de catre diferenta de potential si intra in coliziune cu alti electroni liberi. Aceasta conduce la o reactie in lant. Acest proces de eliberare de electroni este numit si ionizare comuna.
Acest mecanism are cea mai mare importanta pentru formarea arcului.

Particule incarcate in zona arcului
Imaginea descrie directia de curgere a particulelor incarcate intre anod si catod. Pe langa un numar mare de electroni cu sarcina negativa care se deplaseaza de la catod la anod mai exista si anioni, exemplu ioni OH- care plutesc in aceeasi directie.

directia fluxului particulelor in timpul sudariionii cu sarcina pozitiva (cationii) de exemplu ionii de Fe+- sau H+ se deplaseaza spre polul negativ.
Ca rezultat, directia fluxului este in ambele sensuri (flux ambipolar)

Arc plasma: stare de agregare in prezenta:

  • Atomilor,
  • Moleculelor,
  • Ionilor
  • Si electronilor.

Initierea arcului

Initierea prin contact

Arcul de sudare este initiat prin contact direct a electrodului cu piesa de lucru. Datorita scurtcircuitului se creeaza un curent de densitate mare in zona de contact. Astfel se formeaza faza de topire si vaporii de metal prin care ionizarea poate incepe rapid. Arcul creste in dimensiune imediat ce se obtine balansul termodinamic.

In cazul initierii prin contact, curentul este amorsat prin o atingere rapida a celor doi electrozi. Prin retragerea usoara a unui electrod se aprinde arcul. Mai exista un tip de initiere folosind bila de contact , o bila din vata de otel, care este un fel de initiere prin contact deoarece aceasta se topeste datorita densitatii mari a curentului imediat dupa contact si pregateste astfel golul dintre cei 2 electrozi pentru formarea arcului.
Atingerea unui electrod de suprafata piesei de lucru conduce la un scurtcircuit. Suprafata de contact dintre cei 2 poli este destul de mica. Chiar si in zonele de contact tratate mecanic suprafetele de contact care interactioneaza nu sunt mai mari de 0,1 % la 1 %. Aceasta conduce la un amperaj specific ridicat in punctele de atingere.
Daca se foloseste un curent de 200 A si un electrod de 4 mm in diametru la o suprafata de contact de 1 % rezulta o densitate de curent de 1600A/mm² iar daca suprafata de contact este de 0,1% densitatea de curent rezultata este de 16000 A/mm².
In realitate, densitatea curentului la punctele de atingere va fi de doua sau trei ori mai mare conform caracteristicilor curbei coboratoare a sursei. in momentul contactului se creeaza un scurtcircuit comun dupa care se mentine un scurtcircuit continuu.
Densitatea mare de curent genereaza in zonele de contact, topiri locale si o supraincalzire mare a metalului topit. Se formeaza vapori de metal care pot fi usor ionizati in golul arcului.
Dupa scurtcircuit, electrodul trebuie retras imediat, pentru a initia arcul. Este necesara o anumita tensiune pentru aceasta, care nu este disponibila in timpul scurtcircuitului care are o tensiune aproape egala cu zero. Particulele incarcate deja existente in golul arcului sunt acum accelerate de catre tensiune si creeaza particule incarcate aditionale prin ionizare brusca. Altele sunt adaugate prin emisie termica sau a campului. Arcul se aprinde dupa ce atinge tensiunea minima necesara functie de caracteristicile sursei si lungimea arcului respectiv.
Punctul de lucru este punctul de intersectie a caracteristicii statice a sursei si caracteristicile arcului. Retragerea electrodului dupa scurtcircuit nu este necesara cand se sudeaza in mediu de gaz protector, caz in care densitatea curentului este destul de mare incat permite arcului sa se elibereze singur dupa ce vaporizeaza puntita de metal.

Initierea fara contact
Initierea fara contact nu poate fi tot timpul folosita deoarece suprafata se contamineaza sau electrodul poate fi distrus. In acest caz avem nevoie de elemente auxiliare de initiere cum ar fi: frecventa inalta, sau impulsuri mari de tensiune. Amperajul mare ce depaseste curentul de sudare poate aparea datorita distorsionarii receptiei fara contact acesta fiind inlocuit de catre echipamente de initiere a arcului prin impulsuri de tensiune mare. in ambele cazuri se creeaza o unda radio intre electrod si piesa astfel se creeaza o pre-ionizare prin care se poate initia arcul fara contact la o distanta de 2-3 mm.

 

 

*Toate articolele de la sectiunea Ingineria Sudarii sunt utile in promovarea examenului IWE/IWI            ISIM Timisoara

 Leave a Reply

(required)

(required)

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>