Principiile de bază ale sudării

O sudură poate fi definită ca o coalescență de metale produsă prin încălzirea la o temperatură adecvată cu sau fără aplicarea presiunii și cu sau fără utilizarea unui material de umplutură.

În sudarea prin fuziune, o sursă de căldură generează suficientă căldură pentru a crea și menține un bazin de metal topit de dimensiunea necesară. Căldura poate fi furnizată de electricitate sau de o flacără de gaz. Sudarea prin rezistență electrică poate fi considerată sudare prin fuziune deoarece se formează un metal topit.

---

Procesele în fază solidă produc suduri fără a topi materialul de bază și fără adăugarea unui metal de adaos. Este întotdeauna utilizată presiune și, în general, este furnizată o parte de căldură. Căldura de frecare este dezvoltată în îmbinarea cu ultrasunete și prin frecare, iar încălzirea cuptorului este de obicei folosită în lipirea prin difuzie.

Arcul electric utilizat în sudare este o descărcare de curent mare, de joasă tensiune, în general în intervalul 10-2.000 de amperi la 10-50 de volți. O coloană cu arc este complexă, dar, în linii mari, constă dintr-un catod care emite electroni, o plasmă de gaz pentru conducerea curentului și o regiune anodică care devine comparativ mai fierbinte decât catodul din cauza bombardamentului cu electroni. De obicei se folosește un arc de curent continuu (DC), dar se pot folosi arcuri de curent alternativ (AC).

Aportul total de energie în toate procesele de sudare depășește ceea ce este necesar pentru a produce o îmbinare, deoarece nu toată căldura generată poate fi utilizată eficient. Eficiența variază de la 60 la 90 la sută, în funcție de proces; unele procese speciale se abate mult de la această cifră. Căldura se pierde prin conducție prin metalul de bază și prin radiație în mediul înconjurător.

Majoritatea metalelor, atunci când sunt încălzite, reacţionează cu atmosfera sau cu alte metale din apropiere. Aceste reacții pot fi extrem de dăunătoare proprietăților unei îmbinări sudate. Majoritatea metalelor, de exemplu, se oxidează rapid atunci când sunt topite. Un strat de oxid poate împiedica legarea corectă a metalului. Picăturile de metal topit acoperite cu oxid devin prinse în sudură și fac îmbinarea fragilă. Unele materiale valoroase adăugate pentru proprietăți specifice reacționează atât de repede la expunerea la aer, încât metalul depus nu are aceeași compoziție ca la început. Aceste probleme au condus la utilizarea fluxurilor și a atmosferelor inerte.

În sudarea prin fuziune, fluxul are un rol protector în facilitarea unei reacții controlate a metalului și apoi prevenirea oxidării prin formarea unei pături peste materialul topit. Fluxurile pot fi active și ajuta în proces sau inactive și pur și simplu protejează suprafețele în timpul îmbinării.

Atmosferele inerte joacă un rol protector similar cu cel al fluxurilor. În sudarea cu arc metalic protejat cu gaz și cu arc de tungsten protejat cu gaz, un gaz inert - de obicei argon - curge dintr-un inel care înconjoară pistolul într-un curent continuu, deplasând aerul din jurul arcului. Gazul nu reacționează chimic cu metalul, ci pur și simplu îl protejează de contactul cu oxigenul din aer.

Metalurgia îmbinării metalelor este importantă pentru capacitățile funcționale ale îmbinării. Sudura cu arc ilustrează toate caracteristicile de bază ale unei îmbinări. Trei zone rezultă din trecerea unui arc de sudare: (1) metalul sudat sau zona de fuziune, (2) zona afectată de căldură și (3) zona neafectată. Metalul de sudură este acea porțiune a îmbinării care a fost topit în timpul sudării. Zona afectată de căldură este o regiune adiacentă metalului de sudură care nu a fost sudată, dar a suferit o modificare a microstructurii sau a proprietăților mecanice din cauza căldurii de sudare. Materialul neafectat este cel care nu a fost încălzit suficient pentru a-și modifica proprietățile.

Compoziția metalului de sudură și condițiile în care se îngheață (se solidifică) afectează în mod semnificativ capacitatea îmbinării de a îndeplini cerințele de serviciu. În sudarea cu arc, metalul sudat cuprinde material de umplutură plus metalul de bază care s-a topit. După trecerea arcului, are loc răcirea rapidă a metalului de sudură. O sudură cu o singură trecere are o structură turnată cu granule columnare care se extind de la marginea bazinului de topire până la centrul sudurii. Într-o sudură cu mai multe treceri, această structură turnată poate fi modificată, în funcție de metalul special care este sudat.

Metalul de bază adiacent sudurii, sau zona afectată de căldură, este supusă unui interval de cicluri de temperatură, iar modificarea sa în structură este direct legată de temperatura de vârf la un punct dat, timpul de expunere și ratele de răcire. Tipurile de metal de bază sunt prea numeroase pentru a fi discutate aici, dar pot fi grupate în trei clase: (1) materiale neafectate de căldura de sudare, (2) materiale întărite prin modificarea structurală, (3) materiale întărite prin procese de precipitare.

Sudarea produce tensiuni în materiale. Aceste forțe sunt induse de contracția metalului de sudură și de dilatarea și apoi contracția zonei afectate de căldură. Metalul neîncălzit impune o reținere asupra celor de mai sus, iar pe măsură ce contracția predomină, metalul de sudură nu se poate contracta liber și se formează o tensiune în îmbinare. Acest lucru este cunoscut în general sub denumirea de stres rezidual și, pentru unele aplicații critice, trebuie îndepărtat prin tratament termic al întregii fabrici. Tensiunea reziduală este inevitabil în toate structurile sudate, iar dacă nu este controlată va avea loc curbarea sau deformarea sudurii. Controlul este exercitat prin tehnica de sudare, dispozitive și dispozitive de fixare, proceduri de fabricație și tratament termic final.