Calificarea procedurilor de sudare cu arcul electric a ... - apcmr
Calificarea procedurilor de sudare cu arcul electric a ... - apcmr
Calificarea procedurilor de sudare cu arcul electric a ... - apcmr
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
CALIFICAREA PROCEDURILOR DE SUDARE CU ARCUL<br />
ELECTRIC A BOLŢURILOR DE DIMENSIUNI MARI<br />
Mircea Burcă 1 , Gh. Gliţa 1 , Doru Dumbravă 1,2 , Cristian Stoian 3 , Cristian Toma 3<br />
Rezumat<br />
Lucrarea prezintă rezultatele unor cercetări experimentale privind tehnologiile <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> şi<br />
încercările tehnologice în ve<strong>de</strong>rea calificării <strong>procedurilor</strong> <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> <strong>cu</strong> ar<strong>cu</strong>l <strong>electric</strong> <strong>cu</strong> inel<br />
ceramic şi amorsare prin ridicare (783/SR EN ISO 4063/2000) a bolţurilor <strong>cu</strong> diametrul <strong>de</strong><br />
16mm, 19mm şi 22mm conform normelor SR EN ISO 14555/2002.<br />
1. Introducere<br />
Sudarea bolţurilor <strong>cu</strong> ar<strong>cu</strong>l <strong>electric</strong> este un proce<strong>de</strong>u <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> larg răspândit pe plan mondial<br />
utilizat la fixarea ne<strong>de</strong>montabilă a unor elemente <strong>de</strong> tipul bolţurilor, gujoanelor, şuruburilor,<br />
ştifturilor, bucşelor. Sudarea bolţurilor este utilizată printre altele în construcţia podurilor metalice,<br />
a construcţiilor metalice din oţel, construcţia navelor, construcţia mijloacelor <strong>de</strong> transport,<br />
construcţia aparatelor, construcţia cazanelor şi construcţia aparatelor electrocasnice, figura 1. În<br />
domeniul construcţiilor proce<strong>de</strong>ul este întâlnit frecvent pentru fixarea betoanelor pe elementele<br />
metalice (stâlpi, grinzi, plafoane).<br />
Proce<strong>de</strong>ul se caracterizează prin simplitate, productivitate mare, calitate foarte bună a îmbinării<br />
sudate, cost redus, echipamente <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> simple şi uşor <strong>de</strong> manipulat, flexibilitate, fiind consi<strong>de</strong>rat<br />
în prezent cel mai eficient mijloc <strong>de</strong> îmbinare a elementelor <strong>de</strong> tipul bolţurilor.<br />
Procedura <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> reprezintă o succesiune specificată <strong>de</strong> acţiuni care trebuie să fie urmată în<br />
cazul exe<strong>cu</strong>ţiei unei suduri, incluzând referiri la materiale, pregătire, metoda <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> şi controlul<br />
sudurii, tratamentul termic după <strong>sudare</strong> pre<strong>cu</strong>m şi echipamentul necesar care trebuie utilizat.<br />
Specificaţia procedurii <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> (WPS) reprezintă un do<strong>cu</strong>ment care preve<strong>de</strong> în <strong>de</strong>taliu variabilele<br />
necesare unei aplicaţii specifice pentru asigurarea reproductibilităţii. Acest do<strong>cu</strong>mentul se<br />
întocmeşte pe baza Procesului verbal <strong>de</strong> calificare a procedurii <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> WPAR, care <strong>cu</strong>prin<strong>de</strong><br />
toate datele relevante <strong>de</strong>spre <strong>sudare</strong>a unei probe necesare pentru calificarea unei proceduri <strong>de</strong><br />
1 Colectivul Utilajul şi Tehnologia Sudării, Fa<strong>cu</strong>ltatea <strong>de</strong> Mecanică, Universitatea “Politehnica” din Timişoara<br />
2 Secţia Construcţii Metalice şi Sudură, Aca<strong>de</strong>mia Română - Filiala Timişoara<br />
3 Secţia Utilajul şi Tehnologia Sudării, anul V, Fa<strong>cu</strong>ltatea <strong>de</strong> Mecanică, Universitatea “Politehnica” din Timişoara<br />
223
<strong>sudare</strong>, pre<strong>cu</strong>m şi toate rezultatele obţinute în urma examinării şi încercării probelor sudate.<br />
Specificaţia procedurii <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> se întocmeşte conform normativului SR EN 288-3+A1/1997.<br />
Figura 1. Aplicaţii ale sudării bolţurilor<br />
224
Pentru calificarea procedurii <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> a bolţurilor în România se utilizează în prezent standardul<br />
SR EN ISO 14555/2002 (disponibil <strong>de</strong>ocamdată doar în varianta în limba engleză), care înlo<strong>cu</strong>ieşte<br />
vechiul STAS 3019/91, abrogat. Se precizează că între cele două standar<strong>de</strong> există diferenţe esenţiale<br />
privind încercările şi verificările la care sunt supuse bolţurile în ve<strong>de</strong>rea certificării.<br />
Proce<strong>de</strong>ul este <strong>cu</strong>nos<strong>cu</strong>t în mai multe variante <strong>de</strong> <strong>sudare</strong>. Pentru bolţuri <strong>cu</strong> diametru mare<br />
(d>15mm) se utilizează varianta <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> <strong>cu</strong> ar<strong>cu</strong>l <strong>electric</strong> <strong>cu</strong> inel ceramic şi amorsare prin<br />
ridicare, simbol 783, conform SR EN ISO 4063/2000.<br />
Principiul sudării bolţurilor <strong>cu</strong> ar<strong>cu</strong>l <strong>electric</strong> este prezentat în figura 2. Bolţul este fixat iniţial <strong>de</strong><br />
către operatorul sudor în bucşa elastică a pistoletului <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> <strong>de</strong> construcţie specială şi poziţionat<br />
pe suprafaţa piesei în lo<strong>cu</strong>l un<strong>de</strong> urmează a fi sudat.<br />
Prin apăsarea butonului <strong>de</strong> pornire a pistoletului, <strong>cu</strong>rentul <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> trece prin bolţ producând<br />
încălzirea vârfului acestuia, iar prin ridicarea uşoară şi pentru un timp s<strong>cu</strong>rt a bolţului <strong>de</strong> pe<br />
suprafaţă se amorsează un arc <strong>electric</strong> care produce topirea vârfului bolţului şi topirea locală a<br />
piesei. La întreruperea ar<strong>cu</strong>lui <strong>electric</strong> bolţul este împins (plonjează) <strong>cu</strong> o forţă relativ mică, prin<br />
intermediul unui resort amplasat în capul pistoletului, în baia metalică şi prin amestecarea şi<br />
solidificarea băii comune rezultă îmbinarea sudată.<br />
Figura 2. Principiul sudării bolţurilor <strong>cu</strong> arc tras <strong>cu</strong> amorsare prin ridicare<br />
Principalele parti<strong>cu</strong>larităţi ale sudării bolţurilor <strong>cu</strong> ar<strong>cu</strong>l <strong>electric</strong> <strong>cu</strong> amorsare prin ridicare sunt:<br />
- diametrul bolţului: d b = 3 - 25(30) mm;<br />
- <strong>cu</strong>rentul <strong>de</strong> <strong>sudare</strong>: I s = 200 … 3000 A;<br />
- timpul <strong>de</strong> <strong>sudare</strong>: t s = 100 … 3000 ms.<br />
2. Încercări şi verificări<br />
Pentru cercetare au fost utilizate următoarele materiale: bolţuri <strong>cu</strong> cap tip SD ∅16x100, ∅19x150 şi<br />
∅22x150 respectiv inelele ceramice tip SN16, SN19 şi SN22, conform normelor europene EN ISO<br />
13918/1998. Bolţurile sunt exe<strong>cu</strong>tate din oţel tras marca S235J2G3+C450/SR EN 10025+A1/94.<br />
Pentru <strong>sudare</strong> s-a utilizat o instalaţie specializată <strong>de</strong> <strong>cu</strong>renţi mari, tip ELOTOP 3002 <strong>de</strong>stinată<br />
sudării bolţurilor <strong>cu</strong> inel ceramic <strong>cu</strong> dimensiuni <strong>cu</strong>prinse între 6... 25mm, <strong>cu</strong> reglarea continuă a<br />
<strong>cu</strong>rentului <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> între 300 ... 2600A şi <strong>cu</strong> reglarea continuă a timpului <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> între 20<br />
...2000ms, respectiv pistoletul <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> tip K24 <strong>de</strong>stinat sudării bolţurilor <strong>cu</strong> inel ceramic <strong>cu</strong><br />
diametrul între 13 ... 22mm, prevăzut <strong>cu</strong> sistem reglabil <strong>de</strong> frânare hidraulică la plonjarea bolţului în<br />
baia metalică. Echipamentele <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> sunt produse <strong>de</strong> firmele Köster&Co GmbH respectiv Köco<br />
din Germania.<br />
225
Valorile parametrilor tehnologici <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> rezultaţi în urma încercărilor experimentale, pentru cele<br />
trei dimensiuni <strong>de</strong> bolţuri, sunt prezentate în tabelul 1.<br />
d b<br />
(mm)<br />
Tabelul 1. Tehnologii experimentale <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> a bolţurilor<br />
Curentul Timpul Adâncimea Înălţimea<br />
<strong>de</strong> <strong>sudare</strong> <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> <strong>de</strong> plonjare <strong>de</strong> ridicare<br />
I s (A) t s (s) P (mm) L (mm)<br />
Observaţii<br />
16 1300 0,6 3,0 3,5<br />
19 1700 0,8 4,0 3,5<br />
22 2000 1,0 4,0 4,5<br />
Vpl.=100 mm/s<br />
Conform normelor SR EN ISO 14555/2002 au fost sudate un număr <strong>de</strong> 17 bolţuri din fiecare<br />
diametru. În ve<strong>de</strong>rea calificării procedurii <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> a bolţurilor <strong>cu</strong> diametrul mai mare <strong>de</strong> 12mm,<br />
utilizate pentru transmiterea forţei, bolţurile sudate sunt supuse următoarelor încercări şi verificări:<br />
- control vizual: toate bolţurile;<br />
- încercarea la încovoiere: 10 bolţuri;<br />
- încercarea la tracţiune: 5 bolţuri;<br />
- analiza macroscopică: 2 bolţuri;<br />
- încercări <strong>de</strong> duritate (verificare suplimentară): se efectuează pe bolţurile aferente analizei<br />
macroscopice;<br />
- bolţuri suplimentare.<br />
Bolţurile sudate trebuie să fie lipsite <strong>de</strong> <strong>de</strong>fecte, respectiv cele admise trebuie să se încadreze în<br />
toleranţele prescrise <strong>de</strong> normativ. Controlul bolţurilor sudate urmăreşte evi<strong>de</strong>nţierea <strong>de</strong>fectelor <strong>de</strong><br />
tipul porilor, fisurilor, incluziunilor, retasurilor, respectiv a <strong>de</strong>fectelor <strong>de</strong> formă şi poziţionare. În<br />
acest sens se dau următoarele prescripţii:<br />
- fisurile nu sunt permise;<br />
- <strong>de</strong>fectul maxim din suprafaţa casurii (ruperii) să nu <strong>de</strong>păşească 20% din diametrul<br />
bolţului;<br />
- numărul însumat al <strong>de</strong>fectelor (chiar şi minore) nu pot <strong>de</strong>păşi (în mm) ca număr<br />
diametrul bolţului;<br />
- porii sub 0,5 mm diametru nu se iau în consi<strong>de</strong>rare (nu constituie <strong>de</strong>fect);<br />
- suprafaţa totală a <strong>de</strong>fectelor nu poate <strong>de</strong>păşi 5% din secţiunea bolţului, tabelul 2.<br />
Tabelul 2. Corelaţia dintre diametrul bolţului şi mărimea admisă a <strong>de</strong>fectelor<br />
Diametrul bolţului d b<br />
(mm)<br />
Mărimea admisă a<br />
<strong>de</strong>fectelor singulare ≤ d/5 (mm)<br />
Suprafaţa admisă a <strong>de</strong>fectelor<br />
însumate ≤ A/20 (mm 2 )<br />
16 3,2 10,0<br />
19 3,8 14,2<br />
22 4,4 19,0<br />
3. Analiza rezultatelor<br />
3.1. Controlul vizual urmăreşte analiza formei şi uniformitatea convexităţii sudurii, figura 3. Nu<br />
sunt admise <strong>de</strong>fecte <strong>de</strong> tipul gâtuirii sudurii, gulerului <strong>cu</strong> discontinuităţi (întreruperi), gulerului<br />
asimetric (suflaj magnetic) sau stropirilor puternice.<br />
226
Figura 3. Aspectul vizual, d b =19mm<br />
Se observă că gulerul (bavura sudurii) este continuu, uniform ca lăţime şi înălţime pe întreg<br />
conturul, <strong>cu</strong> aspect estetic şi fără împroşcări <strong>de</strong> stropi pe suprafaţa tablei.<br />
3.2. Încercarea la îndoire se poate face prin îndoirea bolţului <strong>cu</strong> ajutorul unei ţevi sau prin lovire <strong>cu</strong><br />
ciocanul, figura 4. Dacă în zona influenţată termic, ZIT, apare o fisură fără <strong>de</strong>formare trebuie<br />
verificată compatibilitatea la <strong>sudare</strong> a metalelor <strong>de</strong> bază.<br />
Condiţia <strong>de</strong> acceptare impusă şi anume, absenţa fisurilor pe fibra întinsă după îndoirea la un unghi<br />
<strong>de</strong> 60°, a fost confirmată pentru toate cele 10 bolţuri, corespunzătoare fiecărui diametru sudat,<br />
16mm, 19mm, respectiv 22mm.<br />
Figura 4. Încercarea la îndoire<br />
3.3. Încercarea la tracţiune. Încercarea se consi<strong>de</strong>ră admisă dacă ruperea se produce în bolţ sau<br />
tablă în afara zonei sudurii şi aceasta are loc după o <strong>de</strong>formare prealabilă a materialului. Ruperea în<br />
îmbinarea sudată sau ZIT este permisă în acest caz dacă aceasta are loc la o valoare a solicitării mai<br />
mare <strong>de</strong>cât rezistenţa metalului <strong>de</strong> bază al bolţului. Rezultatele încercării la tracţiune sunt<br />
prezentate în tabelul 3, iar caracterul ductil al ruperii în figura 5.<br />
Tabelul 3. Încercarea la tracţiune<br />
Nr. probei<br />
Forţa <strong>de</strong><br />
rupere<br />
(kN)<br />
Lo<strong>cu</strong>l<br />
ruperii<br />
Rezistenţa<br />
la rupere<br />
(N/mm 2 )<br />
Nr. probei<br />
Forţa <strong>de</strong><br />
rupere<br />
(kN)<br />
Lo<strong>cu</strong>l<br />
ruperii<br />
Rezistenţa<br />
la rupere<br />
(N/mm 2 )<br />
Nr. probei<br />
Forţa <strong>de</strong><br />
rupere<br />
(kN)<br />
Lo<strong>cu</strong>l<br />
ruperii<br />
Rezistenţa<br />
la rupere<br />
(N/mm 2 )<br />
d b = 16mm d b = 19mm d b = 22mm<br />
T.1 113,0 MB - bolţ 562,3 T.6 159,0 MB - bolţ 561,1 T.11 199,0 MB - bolţ 523,8<br />
T.2 101,5 MB - bolţ 505,0 T.7 161,5 MB - bolţ 569,9 T.12 197,5 MB - bolţ 519,8<br />
T.3 102,5 SUDURĂ 510,0 T.8 160,5 MB - bolţ 566,4 T.13 198,0 MB - bolţ 521,1<br />
T.4 101,5 MB - bolţ 505,0 T.9 163,0 MB - bolţ 575,2 T.14 205,0 MB - bolţ 539,6<br />
T.5 99,5 MB - bolţ 495,1 T.10 159,5 MB - bolţ 562,8 T.15 202,5 MB - bolţ 533,0<br />
227
Figura 5. Încercarea la tracţiune<br />
3.4. Analiza macroscopică, evi<strong>de</strong>nţiază geometria sudurii şi eventualele macro<strong>de</strong>fecte. Acestea nu<br />
pot <strong>de</strong>păşi valorile admise, vezi tabelul 2. Au fost analizate câte două probe pentru fiecare diametru,<br />
figura 6, secţionate în două plane perpendi<strong>cu</strong>lare. În toate cazurile se observă o sudură perfect<br />
conturată <strong>cu</strong> o geometrie corespunzătoare, iar în îmbinarea sudată nu sunt evi<strong>de</strong>nţiate nici un tip <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>fecte interne. Defectele din guler, porii sau lipsa <strong>de</strong> legătură dintre guler şi bolţ nu sunt<br />
consi<strong>de</strong>rate <strong>de</strong>fecte (evi<strong>de</strong>nt, nu fac parte din secţiunea <strong>de</strong> rezistenţă a sudurii). Porii <strong>cu</strong> dimensiuni<br />
sub 0,5 mm, dacă apar nu constituie motiv <strong>de</strong> refuz.<br />
∅16mm ∅19mm ∅22mm<br />
Figura 6. Aspectul macroscopic al sudurilor (Atac: NITAL 10%)<br />
3.5. Rezultatele măsurătorilor <strong>de</strong> duritate Vickers HV5 pentru cele trei diametre <strong>de</strong> bolţ sunt<br />
prezentate în tabelele 4, 5 şi 6. Dispunerea amprentelor <strong>de</strong> duritate este prezentată în figura 7.<br />
Duritatea maximă se află în ZIT-ul din bolţ sau din tablă, dar la valori sub valoarea critică <strong>de</strong><br />
350HV5. Prin urmare nu se produce fragilizarea materialului la <strong>sudare</strong>.<br />
Tabelul 4. Măsurători <strong>de</strong> duritate VICKERS HV5, d b = 16mm<br />
Zona investigată* Proba Proba 3.1. Proba 3.2.<br />
Direcţia I - I II - II III - III I - I II - II III - III<br />
MB b 192 183 190 182 178 185<br />
ZIT b 204 214 206 221 199 212<br />
MT 249 249 236 246 257 262<br />
ZIT t 221 203 192 185 216 195<br />
MB t 130 133 130 127 129 127<br />
* MB b – metal <strong>de</strong> bază bolţ; ZIT b – zona influenţată termic bolţ; MT – metal topit;<br />
ZIT t – zona influenţată termic tablă; MB t – metal <strong>de</strong> bază tablă.<br />
228
Figura 7. Dispunerea amprentelor <strong>de</strong> duritate<br />
Tabelul 5. Măsurători <strong>de</strong> duritate VICKERS HV5, d b = 19mm<br />
Zona investigată * Proba Proba 2.1. Proba 2.2.<br />
Direcţia I - I II - II III - III I - I II - II III - III<br />
MB b 214 206 203 210 203 195<br />
ZIT b 299 310 296 286 313 325<br />
MT 249 262 246 243 259 256<br />
ZIT t 203 199 203 201 200 202<br />
MB t 137 134 136 133 134 131<br />
* MB b – metal <strong>de</strong> bază bolţ; ZIT b – zona influenţată termic bolţ; MT – metal topit;<br />
ZIT t - zona influenţată termic tablă; MB t – metal <strong>de</strong> bază tablă.<br />
Tabelul 6. Măsurători <strong>de</strong> duritate VICKERS HV5, d b = 22mm<br />
Zona investigată * Proba Proba 1.1. Proba 1.2.<br />
Direcţia I - I II - II III - III I - I II - II III - III<br />
MB b 192 183 188 190 195 188<br />
ZIT b 246 280 260 299 289 310<br />
MT 234 236 227 249 234 257<br />
ZIT t 221 219 210 210 199 229<br />
MB t 167 206 183 144 150 143<br />
* MB b – metal <strong>de</strong> bază bolţ; ZIT b – zona influenţată termic bolţ; MT – metal topit;<br />
ZIT t - zona influenţată termic tablă; MB t – metal <strong>de</strong> bază tablă.<br />
4. Concluzii<br />
1. Cercetările experimentale au urmărit:<br />
• stabilirea parametrilor tehnologici <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> a bolţurilor din oţel <strong>cu</strong> diametrul <strong>de</strong> 16mm,<br />
19mm respectiv 22mm, folosind proce<strong>de</strong>ul <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> <strong>cu</strong> ar<strong>cu</strong>l <strong>electric</strong> <strong>cu</strong> inel ceramic <strong>cu</strong><br />
amorsare prin ridicare; acestea au permis întocmirea <strong>procedurilor</strong> preliminare <strong>de</strong> <strong>sudare</strong><br />
conform exemplului prezentat în figura 8;<br />
• realizarea probelor şi încercărilor, conform SR EN ISO 14555/2000, în ve<strong>de</strong>rea calificării<br />
procedurii <strong>de</strong> <strong>sudare</strong>;<br />
• întocmirea procedurii preliminare <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> a bolţurilor, pWPS, în ve<strong>de</strong>rea calificării<br />
tehnologiilor <strong>de</strong> <strong>sudare</strong>; vezi exemplul din figura 8, pentru bolţul <strong>cu</strong> diametrul <strong>de</strong> 22mm.<br />
2. Rezultatele experimentale obţinute întrunesc cerinţele impuse <strong>de</strong> normativul SR EN 288-<br />
3+A1/1999, pentru calificarea ulterioară a <strong>procedurilor</strong> <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> a bolţurilor <strong>de</strong> diametre mari prin<br />
proce<strong>de</strong>ul 783 (SR EN ISO 4063/2000).<br />
229
3. Prin prisma experienţei a<strong>cu</strong>mulate şi a rezultatelor obţinute se apreciază că aplicaţiile acestui<br />
proce<strong>de</strong>u mo<strong>de</strong>rn <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> a bolţurilor va <strong>cu</strong>noaşte într-un timp relativ s<strong>cu</strong>rt o <strong>de</strong>zvoltare <strong>cu</strong> un<br />
ritm înalt <strong>de</strong> creştere pe plan naţional.<br />
Figura 8. Mo<strong>de</strong>lul unei specificaţii preliminare <strong>de</strong> procedură <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> pentru bolţuri<br />
4. Bibliografie<br />
1. Trillmich, R: Asigurarea calităţii la <strong>sudare</strong>a bolţurilor. Rev. “Sudura”, Nr.2, 2001.<br />
2. Burcă, M.: Aspecte tehnologice ale sudării bolţurilor <strong>cu</strong> ar<strong>cu</strong>l <strong>electric</strong>. Volumul “Sesiunea <strong>de</strong><br />
comunicări ştiinţifice a ASR”, Cluj-Napoca, 2001.<br />
1. 3. *** AWS Welding Handbook. In: Eighth Edition, Volume 2.<br />
3. *** SR EN 288/1/3/4-99: Specificaţia şi calificarea <strong>procedurilor</strong> <strong>de</strong> <strong>sudare</strong> pentru materiale<br />
metalice.<br />
4. *** SR EN ISO - 14555/2002: Sudarea bolţurilor pe materiale metalice.<br />
230