Formarea punctului de sudura

Formarea punctului de sudura cuprinde, in esenta ,trei procese distincte, care se produc concomitent si se interconditioneaza reciproc; procesul electric, procesul metalurgic si procesul mecanic.

1 Procesul electric al formarii punctului de sudura

Procesul electric se produce ca urmare a treceri curentului electric de sudare prin coloana de metal cuprinsa intre varfurile electrozilor de contact. Ca urmare a efectului Joule-Lenz, cantitatea de caldura care se dezvolta in aceasta zona este data de relatia:

; (cal) [1]

sau in unitati de energie:

; (joule)   [2]

in care: Q este cantitatea de energie degajata, in jouli sau calorii;

R - este rezistenta electrica totala ce Intervine in zona de sudare, in ohmi;

l_s- curentul de sudare, in amperi;

t - timpul de trecere a curentului de sudare, in secunde

La sudarea prin puncte rezistenta R este formata dintr-o insumare de rezistente (fig.1): rezistenta de contact R_c dintre componentele de sudat, rezistenta proprie R_p a componentelor (coloana de metal intre varfurile electrozilor) si rezistenta de contact R'_c dintre electrozi si suprafata componentelor.

In situatia in care componentele de sudat sunt din acelasi material si au aceeasi grosime, rezistenta totala R este data de relatia:

R = R_c + 2R_P + 2 R'_c

Rezistentele proprii R_p ale componentelor sunt independente de forta F de apasare a electrozilor. Acestea depind numai de natura materialului (rezistivitate) si de temperatura.

Deci, caldura totala degajata in imbinare poate fi scrisa astfel:

; (joule)  [4]

Modul de variatie in timp a acestor rezistente si importanta pe care ele o prezinta la formarea sudurii sunt prezentate in continuare .

2 Rezistentele de contact

Indiferent de modul de prelucrare, suprafetele metalice ale componentelor nu sunt perfect plane, ci prezinta o anumita rugozitate, mai mare sau mai mica. Pe langa aceasta, suprafata metalica poate fi acoperita cu oxizi, impuritati, grasimi etc.

Aspectul a doua suprafete metalice in contact, la o scara mare este prezentat in figura 5.

Fig. 5 Aspectul a doua suprafete plane in contact

Teoretic, suprafata de contact este data de relatia :

[5]

Suprafata reala de contact este insa mult mai mica decat sectiunea 'A' datorita existentei microasperitatilor. La trecerea curentului electric prin cele doua suprafete metalice in contact, liniile fictive de curent se concentreaza in zonele in care denivelarile si microasperitatile vin in contact. in cazul in care suprafetele metalice prezinta oxizi sau impuritati, curentul electric va trece prin portiunile de contact metal-metal, iar in zonele cu oxizi vor opune rezistenta. Rezistenta opusa trecerii curentului electric datorata concentrarii liniilor de curent, printr-un numar de zone in contact si prezentei oxizilor sau impuritatilor pe suprafetele metalice , formeaza rezistenta de contact. Aceasta are un rol primordial in localizarea si formarea punctului de sudura .

Astfel, in cazul sudarii prin puncte, curentul de sudare intampina o rezistenta mai mare in zona de contact dintre componente, fata de rezistenta opusa de coloana de metal (2R_P) cuprinsa intre cei doi electrozi si rezistentelor (2R_C) intre suprafata componentelor si varfurile electrozilor. Ca urmare a concentrarii liniilor de curent in portiunile de contact metal-metal ale suprafetelor componentelor, densitatea de curent fiind mai mare in aceste zone, se va produce incalzirea si topirea acestora mai repede decat in interiorul coloanei de metal a componentelor de sudat. Aceasta explica faptul ca, in conditii normale de sudare, in cazul existentei unei simetrii a campului termic, punctul de sudura se formeaza in planul de separatie al componentelor si nu in interiorul acestora.

Rezistenta de contact a doua componente metalice suprapuse este influentata de urmatorii factori:

forta de apasare asupra componentelor de sudat F, (daN );

natura materialului componentelor de sudat,  respectiv caraceristicile
acestuia (duritate, rezistenta mecanica, conductivitate);

starea suprafetelor componentelor de sudat (modul de elaborare,
prelucrare, tratamente termice aplicate, curatirea suprafetelor);

temperatura metalului la locul de contact.

3 Influenta fortei de apasare

Influenta fortei de apasare asupra rezistentelor de contact R_c si R'_c, este prezentata in figura 6.

Se observa ca o data cu cresterea fortei de apasare, rezistentele de contact scad ca urmare a aplatizarii asperitatilor in contact si a maririi suprafetei efective de trecere a curentului de sudare.

Componentele de sudat fiind, in general, din acelasi material (otel carbon, otel aliat, aluminiu, etc.) se comporta similar la aplatizarea asperitatilor. Electrozii de contact, fiind executati din aliaj de cupru au o rezistenta la deformare mai mica decat a componentelor (24 sisteme de alunecare) si deci contactul acestora cu suprafata exterioara a componentelor se va face intr-un numar mai mare de zone, suprafata reala de contact apropiindu-se de ceea teoretica.

200 400 600 800 1000

Fig.6 Variatia rezistentelor R_c si R'_c, cu forta de apasare a electrozilor.

In acest caz:

Forma varfului electrozilor de contact (tronconica, sferica, etc,), influenteaza rezistenta de contact si anume, la un varf sferic, contactul electric dintre electrozi si componente este mai bun decat la electrozii tronconici sau cu suprafata plana , fiind marita sectiunea de trecere a curentului electric, obtinandu-se o rezistenta de contact mai mica. De asemenea natura materialului componentelor (duritate, rezistenta mecanica, conductivitate etc.) influenteaza rezistentele de contact.

Astfel, pentru aceeasi valoare a fortei de apasare si aceeasi grosime a componentelor se constata ca rezistenta de contact este mai mare in cazul otelului inoxidabil decat in cazul otelului carbon moale la care asperitatile avand o duritate mai mica se aplatizeaza mai usor.

4 Starea suprafetelor de sudat

Aceasta stare a suprafetelor depinde de modul de elaborare si de prelucrare (laminare, prelucrare prin aschiere, finisare, decapare, etc), precum si de tratamentele termice aplicate, ce influenteaza puternic rezistentele de contact. in cazul componentelor elaborate si prelucrate identic, variatia, relativ mica, a rezistentelor de contact in diferite zone ale aceleiasi suprafete se datoreaza unei anumite eterogenitati a stratului superficial al componentelor. Omogenizarea valorilor rezistentei de contact pe intreaga suprafata se obtine prin aplicarea unor forte de strangere mai mari.

Existenta oxizilor, grasimilor, impuritatilor, a prafului etc. pe suprafetele de sudat, conduce la obtinerea unor valori ale rezistentelor de contact inalte si excesiv variabile in diferite zone ale aceleiasi suprafete si de aceiasi grosime, comparativ cu o suprafata curata, decapata.

In tabelul 1 sunt trecute valorile rezistentei de contact dintre componentele de sudat 'R_c', din otel carbon obisnuit, functie de starea suprafetei, la o temperatura de 20°C si la o forta de apasare intre electrozi F= 200 daN.

Trebuie subliniat faptul ca impuritatile de pe suprafata componentelor de sudat pot ajunge in sudura, diminuandu-i astfel calitatea.

Tabel 1

Temperatura are o influenta mare asupra rezistentelor de contact, o crestere moderata a temperaturii determinand o diminuare rapida si accentuata a lor (figura 7). Aceasta diminuare a rezistentei de contact este datorata aplatizarii complete a

asperitatilor in contact sub efectul temperaturii, obtinandu-se o marire accentuata a sectiunii de trecere a curentului electric.

Fig.7 Variatia rezistentei de contact R_c cu temperatura

In mod simplificat dependenta rezistentei de contact de diferiti factori, la inceputul operatiei de sudare poate fi scrisa:

R_c=f (1 / F, σ_c , ρ , impuritati, s.a.) [6]

Aceasta relatie exprima faptul ca, rezistenta de contact este invers proportionala cu forta de apasare si direct proportionala cu rezistenta materialului, cu conductivitatea lui si cu gradul de impuritati al suprafetelor componentelor de sudat.

S-a prezentat mai inainte o relatie ce exprima o crestere a cantitatii de caldura Q cu rezistenta R , cresterea acestei rezistente se mai poate realiza si prin micsorarea fortei de apasare F, deci:

Q = f (1 / F, I_s , t, . ) [7]

Prin micsorarea insa, a fortei de apasare F creste nu numai rezistenta de contact dintre componente 'R_c' (ceea ce este favorabil formarii punctului de sudura ), ci si rezistenta de contact intre electrozi si suprafata componentelor ' R'_c' , ceea ce conduce la marirea cantitatii de caldura pentru intreaga coloana de metal cuprinsa intre varfurile electrozilor, deci la pierderi energetice. in plus, datorita fortei diminuate poate avea loc o topire la suprafata materialului (intre electrozi si componente) sau imbinarea prin difuzie a componentelor cu electrozii. Din acest motiv, forta de apasare nu poate fi micsorata prea mult.

Pentru realizarea punctului de sudura intre componente este necesar ca rezistentele de contact intre electrozi si componente, R'_c sa fie cat mai mici. Acest lucru se realizeaza prin utilizarea unor electrozi de contact dintr-un material cu conductivitate termica si electrica ridicata, care sa fie raciti cu apa, cat si prin curatirea suprafetelor componentelor de sudat si ale electrozilor.

Pentru calculul rezistentei de contact se considera ca intre componentele de sudat se realizeaza un contact circular de raza 'r' intr-o singura zona . Rezistenta R_c se determina cu relatia:

[8]

unde: ρ este rezistivitatea metalului [Ωmm²/m]

Marimea suprafetei de contact depinde de forta de apasare F si de limita de curgere conventionala a materialului σ_c:

[9]

Din relatiile de mai sus rezulta:

[10]

σ_c ia valori diferite in functie de temperatura:

la 20˚C, σ_c = 4000 daN/cm²;

la 1200˚C, σ_c = 450 daN/cm².

Daca contactul dintre componente se produce simultan in mai multe zone, atunci este valabila relatia:

in care: R_k este rezistenta de contact pentru o forta de 1 daN;  R_k are valorile:

pentru otel decapat (46)∙10^-3Ω

pentru aluminiu decapat (1 1,5)∙10^-3Ω.

- depinde de natura materialului si de starea suprafetei fiind:

= 0,75 pentru otel si = 0,75 - 0,85 pentru aliajele de aluminiu.

Pentru sudarea in puncte a materialelor diferite, rezistenta de contact se

poate determina cu relatia :

unde: R_c1 si R_c2 sunt rezistente de contact pentru fiecare componenta.

Rezistenta de contact R΄_c, fiind formata intre o componenta si electrodul de cupru, la care concentrarea liniilor de curent este neglijabila, se considera ca fiind:

5 Rezistenta proprie a componentelor de sudat

Aceasta rezistenta proprie a componentelor, poate fi determinata in mai multe variante. in ipoteza cea mai simpla, se poate considera ca, in orice moment al procesului de incalzire, intregul curent de sudare trece prin cilindrul cuprins intre suprafetele de contact ale electrozilor. Considerand o placa de grosime 's₀' in contact cu electrozi de diametru 'd', ca in figura 8.a, rezistenta cilindrului de material se poate calcula cu relatia :

[11]

si ar fi independenta de forta de apasare . Deoarece rezistivitatea materialului este variabila cu temperatura, aplicand aceasta relatie ar rezulta ca la sfarsitul procesului de sudare, rezistenta electrica a componentelor va fi cu mult mai mare

decat la inceputul operatiei, cand piesele sunt mai reci. intrucat rezultatele obtinute practic au aratat o variatie mult mai mica a rezistentei, este necesara aplicarea unor factori de corectie la relatia anterioara, care sa tina cont de urmatoarele aspecte:

sectiunea reala de trecere a curentului;

variatia temperaturii materialului;

influenta fortei de apasare .

Fig. 8 Repartitia liniilor de curent intr-o placa stransa intre electrozii de contact

Pornind de la studiul campului electric existent in placa dintre electrozii de contact, s-a observat ca liniile de curent nu trec numai prin cilindrul delimitat de diametrul electrozilor, ci printr-o sectiune mai mare, ca in figura 8.b.; din acest motiv si densitatea curentului este neuniforrna pe sectiune, ea in figura 8.e. in planul sectiunii de contact cu electrozii densitatea este maxima la marginea acestora, iar in sectiunea mediana a placii densitatea este mai mica , descrescand cu cat ne departam de axa electrozilor.

Deoarece sectiunea de trecere a curentului se mareste la mijlocul placilor, rezistenta proprie a componentelor R_p, va fi mai mica fata de rezistenta cilindrului de metal:

[12]

in care:

K₁ va fi un coeficient subunitar, ce tine cont de distributia reala a liniilor de curent in componente.

Configuratia campului electric si distributia liniilor de curent depind in mare masura de raportul dintre diametrul de contact al electrozilor si grosimea componentelor ca in graficul din figura 9.

Fig.9 Graficul de determinare a constantei K₁ , in functie de raportul de/s₀

La aceeasi grosime a componentelor, odata cu cresterea sectiunii de contact, imprastierea liniilor de curent este mai redusa . Pentru cazurile care intervin la sudarea in puncte, cu d / s =1 3, coeficientul IC| are valorile: K-, =0,4o,8

O a doua corectie care trebuie aplicata se refera la neuniformitatea incalzirii materialului dintre electrozi, care modifica rezistivitatea acestuia in diferite zone.

La inceputul incalzirii densitatea maxima a curentului, in planul mediu al componentelor, se aplica pe axa electrozilor (fig.8.c) ducand la cresterea temperaturii in aceasta zona. in continuare, trecerea curentului se face preferential, de la partea centrala mai calda , spre partile periferice mai reci, cu rezistivitate mai mica , crescand sectiunea de trecere. Rezulta o micsorare a rezistentei materialului componentelor strabatute de curent:

[13]

unde K₂ ,este un coeficient de distributie neuniforma a liniilor de curent ca urmare a incalzirii neuniforme, cu valoarea:

K₂ = 0,750,95

Intervalul de valori corespunde trecerii de la o incalzire cu viteza mica (regim moale), cand zona incalzita este mai larga, la o incalzire cu viteza mare (regim dur) cand partile reci sunt mai aproape de axa electrozilor si devierea liniilor de curent este mai redusa. Pentru cazurile obisnuite de sudare a tablelor de otel, se poate adopta K₂ = 0,85.

Daca electrozii de contact au diametre diferite, d₁ si d₂, se modifica forma liniilor de curent ca in figura 10.

Fig. 10 Modificarea liniilor de curent la sudarea prin presiune a componentelor de

grosimi diferite

Rezistenta proprie se va compune din doua parti separate prin planul 'AA', situat la intersectia dreptelor trasate sub un unghi de 45° de la marginea electrozilor.

Planul 'AA' astfel obtinut, se confunda aproximativ cu o suprafata echipotentiala a campului electric, care se stabileste intre electrozii cu diametre diferite. Acest plan se poate considera ca plan de simetrie in campul ce ia nastere intre doi electrozi cu diametrul 'd₁', dintr-o placa de grosime s₀ = 2 ∙ s₁  (fig. 10.b) si respectiv intre doi electrozi cu diametrul 'd₂' dintr-o placa de grosime s₀ = 2 ∙ s₂ (fig. 10.c)

Rezulta pentru acest caz, rezistenta proprie a materialului:

[14]

unde: Ḱ₁, K˝₁  - coeficientii corespunzatori rapoartelor d₁ / 2s₁ si respectiv d₂ / 2s₂;

ρ΄, ρ˝ - rezistivitatea corespunzatoare temperaturii medii din axa centrala, temperatura mai mica in placa mai groasa (T₁ ≈ 1200˚C), fata de placa mai subtire

(T₂ ≈ 1400˚C).

[15]

In cazul real al sudarii in puncte, intre electrozi se gasesc in mod obisnuit doua componente de sudat si nu una singura ca in situatia prezentata mai sus. Sectiunea de trecere a curentului la contactul dintre componente va fi determinata de marimea suprafetei de contact dintre acestea. Suprafata reala de contact depinde atat de forta de apasare exercitata de electrozi cat si de rezistenta la deformare plastica a materialului si temperatura la care se gaseste aceasta. Odata cu cresterea fortei 'F' diametrul de contact 'd', creste ca in figura 11, pana la o valoare limita care depinde de grosimea componentei 's', dupa relatia :

d₀ = d_e + 1,7s [16]

Fig. 11 Variatia diametrului punctului sudat functie de forta de apasare a

electrozilor.

Pentru calcule precise a rezistentei proprii, se va introduce in locul diametrului electrodului d_e, diametrul fictiv de contact d₀, (cu acesta se va stabili si constanta K₁ din graficul din fig.9)

Suprafata fictiva de contact dintre doua materiale este data de relatia:

[17]

unde: F este forta de apasare;

σ_p este rezistenta la deformare plastica a materialului.

Daca se considera un contact fictiv circular, diametrul fictiv de contact va fi:

[18]

Diametrul fictiv este diferit de diametrul electrodului. La inceputul operatiei de sudare "d₀" este mai mic decat "d_e", iar pe masura ce temperatura creste, scazand rezistenta la deformare plastica, "d₀" creste pana la valoarea "d_e".

La sfarsitul operatiei de sudare d₀ poate fi mai mare decat d_e.

Pentru calculul diametrului d₀ la sudarea unor placi din otel moale, folosind electrozi din cupru dur, se poate considera rezistenta de deformare plastica a materialului:

σ_p = 40 daN/mm la inceputul operatiei de sudare;

σ_p = 45 daN/mm la sfarsitul operatiei de sudare.

6 Rolul rezistentelor ce intervin la sudarea prin puncte, in formarea

punctului de sudura

Influenta acestor rezistente asupra desfasurarii procesului de degajare a caldurii la sudare, se poate stabili prin analiza variatiei temperaturii in zona dintre electrozi, reprezentata ca in figura 12, pentru diferiti timpi de la inceputul sudarii, in cazul unor componente din otel.

Fig. 12 Variatia temperaturii in zona dintre electrozi.

Din grafic se observa ca, la inceput, cresterea temperaturii are loc in zonele de contact. in momentul urmator, temperatura creste mai putin in zona de contact a electrozilor datorita efectului de racire produs de acestia, ca urmare a conductibilitatii termice ridicate a cuprului. Odata cu incalzirea materialului dintre electrozi, crescand si rezistivitatea materialului de sudat, caldura incepe sa se dezvolte mai rapid in interiorul componentelor, rolul rezistentei R_c devenind neglijabil. Temperatura maxima fiind atinsa intre componentele in contact, odata cu depasirea temperaturii de topire a materialului, se formeaza si nucleul topit in zona corespunzatoare depasirii acestei temperaturi. Din studiile efectuate rezulta faptul ca, rezistenta proprie a materialului joaca rolul principal in degajarea caldurii, partea generata de rezistenta de contact nefiind mai mare de 10% din caldura totala consumata in procesul de sudare.

La temperatura ambianta rezistenta de contact intre componente R_c, are valoarea cea mai ridicata. Spre exemplificare in figura 13 sunt prezentate valorile initiale ale rezistentelor, pentru cazul a doua table din otel carbon de 1mm grosime, laminate la rece si decapate, stranse intre cei doi electrozi tronconici, cu o forta de 500 daN.

Aceste rezistente, inaintea trecerii curentului electric, au urmatoarele valori

(R_c=17 μΩ ; R_p=7 μΩ ; R_c= 30 μΩ)

Fig. 13 Valorile rezistentelor de contact la temperatura ambianta pentru table din

otel carbon cu g= 1mm si F = 500 daN.

Variatia rezistentei totale la sudare este reprezentata in figura 14

Fig. 14 Variatia rezistentei totale la sudarea in puncte

La inceputul operatiei de sudare, rezistenta totala este determinata de rezistenta de contact si are o valoare considerabila care, pe masura incalzirii pieselor scade foarte rapid, devenind neglijabila la temperaturi de peste 600°C, in cazul sudarii otelurilor. Rezistenta proprie a materialului creste la inceput, datorita cresterii rezistivitatii odata cu temperatura, scazand apoi, datorita cresterii suprafetei fictive de contact, sub actiunea fortei de presare pe masura incalzirii pieselor.

In figura 15 este reprezentata variatia in timp a rezistentelor' 2R_P + R_c la sudarea prin puncte a componentelor din otel si respectiv din duraluminiu.

Fig. 15 Variatia in timp a rezistentelor 2R_p + R_c pentru componente din otel (a)

si duraluminiu (b)

Se observa ca la duraluminiu rezistenta de contact dintre componente reprezinta o sursa termica de importanta mai mare decat in cazul otelului.

Datorita efectului preponderent al rezistentei proprii a materialului, pentru simplificarea calcului rezistentei totale se considera numai rezistenta proprie finala a pieselor de sudat amplificata cu un coeficient, K₃, care tine cont de variatia rezistentei in timpul sudarii si de proprietatile materialului de sudat:

[19]

unde: K₃ = pentru sudarea pieselor din otel; K₃ = 1,21,4 pentru sudarea pieselor din aliaje usoare; T_f - temperatura finala medie atinsa la sfarsitul operatiei de sudare; la sudarea otelurilor T_f = 1200-1400°C.

Considerand si curentul de sudare constant pe durata desfasurarii procesului, t_s, rezulta caldura degajata la sudarea prin puncte:

Q = K₃ ∙ R ∙ I_s²∙ t_s [20]