2.4. Modificări de compoziţie chimică la sudare

2.4.1. Modelul structuralDate fiind condiţiile existente în zona de sudare metalul ajunge în contact cu

faze gazoase şi zgură iar interacţiunea complexă metal-zgură-gaz conduce la apariţiamodificărilor de compoziţie chimică la sudare.

Pentru evidenţierea acestora se consideră cazul sudării cu electrozi înveliţi (fig.2.21),considerand ca sarma electrod este nealiata si elementele de aliere sunt introdusein invelis, modificările de compoziţie chimică fiind localizate în diverse subzone:

Fig. 2.21. Modelul structural al modificărilor de compoziţie chimică la sudare

· subzona picăturii I, constituie subzona cu cele mai intense modificări. Picăturaformată la capătul sârmei electrod este acoperită de un strat de zgură topită. Dat fiindgradientul mare de concentraţie dintre cele două faze, temperatura ridicată, suprafaţaspecifică de reacţie mare, apar modificări intense de concentraţie la nivelul metaluluipicăturii, datorită proceselor de difuzie, în faza următoare, după desprinderea picăturii,intervin şi gazele din zona de sudare,astfel că interacţiunea este complexă metal-zgură-gaz; în momentul ajungerii în baie,picătura de metal are compoziţia metalului depus.

· în subzona de amestecare intensă II, modificările de compoziţie chimică suntcorespunzătoare amestecării a două metale de compoziţii chimice diferite –metalul debază şi metalul depus - şi participării celor două metale la formarea sudurii.

· în subzona de la suprafaţa băii metalice III, se produc modificări de compoziţiechimică similare primei subzone, dar de intensitate mai redusă, deoarecetemperatura este mai mică, suprafaţa specifică de reacţie mai mică, iar gradientul deconcentraţie chimică mai redus.

· subzona frontului de cristalizare IV, poate fi locul unor modificări locale decompoziţie chimică: segregări, ieşirea din soluţie a unor gaze dizolvate etc

· în subzona liniei de fuziune V, sunt posibile modificări locale decompoziţiechimică pe seama unor procese de difuzie, nesemnificative ca

importanţă,exceptând situaţia, în care elementul care difuzează, este hidrogenul.· subzona de la suprafaţa sudurii VI, este caracterizată de modificări nesemni-

ficative de compoziţie chimică, urmare a condiţiilor existente în această zonă.Astfel de modificări sunt proprii fiecărui proces de sudare, particularităţile

acestuia determinând amploarea sau intensitatea mai redusă a modificărilor decompoziţie chimică.

Desfăşurarea acestor fenomene are la bază interacţiunea metal-gaz-zgură şiconduce la o compoziţie chimică a metalului sudurii şi zonei de legătură diferită de ametalelor sudate.

2.4.2. Interacţiunea metal-gazîn zona de sudare există o cantitate mai mică sau mai mare de gaze, datorate

impurităţilor de pe suprafaţa pieselor, materialelor de adaos, protecţiei insuficiente etc.Datorită temperaturii din zona de sudare, gazele disociază :

H2 + 103, 8 kcal/kmol→2H (2.41)O2+118,2 kcal/kmol→ 2O (2.42)N2 + 170, 2 kcal/kmol→2N (2.43)H2O + 57, 8 kcal/kmol →H2 + 1/2O2 (2.44)CO2 + 67, 65 kcal/kmol → CO + 1/2O2 (2.45)Cantitatea de gaz disociat poate fi apreciată în baza expresiei gradului de

disociere: α= (Ce/Ce + 4p)1/2 (2.46)dacă se cunoaşte temperatura, T şi presiunea, p din zona de sudare.

In stare disociată gazele :· au o activitate chimică pronunţată, interacţionând intens cu metalul;· căldura absorbită la disociere este eliberată la recombinarea lor, la suprafaţa

băii, prin aceasta autoreglându-se starea termică din zona de sudare.Gazele disociate în zona de sudare ajung în contact cu metalul topit, dizolvându-

se în acesta. Cantitatea de gaze dizolvate Cg depinde de temperatură şi presiuneaparţială a gazelor:

Cg = a • e-Q/RT (2.47)Cg1=kl.pg1, (2.48)Cg2=k2.pg2 (2.49)

unde:· Cg1, Cg2 sunt cantităţile de gaz aflat în stare atomică, respectiv moleculară;

Fig. 2.22. Influenţa conţinutului de oxigen asupra proprietăţilor mecanice ale oţelurilor

· a, k1, k2 constante de distribuţie; T - temperatura absolută a gazului;· pg1 - presiunea gazului aflat în stare atomică;· pg2 - presiunea gazului aflat în stare moleculară.

De observat că în stare atomică, cantitatea de gaz dizolvat este mai mare,comparativ cu starea moleculară.

Oxigenul dizolvat în oţel reduce proprietăţile mecanice ale acestuia (fîg. 2.22),ca urmare a oxidării elementelor de aliere, micşorează rezistenţa la coroziune,favorizează îmbătrânirea oţelului, creşte tendinţa de supraîncălzire, înrăutăţeşteprelucrarea prin aşchiere şi forjare Reactiile de oxidare in cazul otelului sunt:

[C] + 1/202 -> CO (2.50)[Mn] + 1/2O2 -» (MnO) (2.51)[Si] + 02 -> (Si02) (2.52)[FeO] + [C] -» [Fe] + CO (2.53)[FeO] + [Mn] -» [Fe] + (MnO) (2.54)

2[FeO] + [Si] -> 2[Fe] + (SiO2) (2.55)Cantitatea de hidrogen dizolvat, doar în stare atomică, depinde de structura

oţelului existând salturi ale solubilităţii la modificarea stării alotropice a fierului (fig.2.23). Acest fenomen asociat faptului că hidrogenul este un stabilizator al martensitei şifragilizează metalul, este una din cauzele apariţiei fisurilor în îmbinarea sudată. Deşihidrogenul nu formează compuşi chimici cu metalul, prezenţa sa în sudură amplificăinfluenţa negativă a macro şi microdefectelor din reţea.

Fig. 2.23. Variaţia cu temperatura a solubilităţii hidrogenului [H] şi azotului [N]

Fig. 2.24. Influenţa conţinutului de azot dizolvat asupra proprietăţilor mecanice aleoţelului.

Azotul, dizolvat doar în stare atomică în cantităţi dependente de procedeul de sudare,creşte proprietăţile mecanice de rezistenţă, scăzându-le pe cele de plasticitate (fig.2.24). In plus favorizează îmbătrânirea metalului sudurii, tendinţa de călire, tendinţa defragilizare la rece. Singura influenţă favorabilă este asupra oţelurilor inoxidabileaustenitice şi austenito feritice, azotul fiind un stabilizator al austenitei.

Cât priveşte CO2 el se disociază la temperatura din zona de sudare, CO formatasigură atmosferă reducătoare, protectoare în zona de sudare, oxigenul având influenţaprezentata. In plus CO dezvoltat în profunzimea metalului băii:

[FeO] + [C] -» CO + [Fe] (2.56)fiind insolubil, se degajă producând "fierberea" băii, prin aceasta favorizând şiîndepărtarea incluziunilor nemetalice.

2.4.3. Interacţiunea metal-zgurăZgura este un amestec de oxizi şi săruri sub formă liberă sau combinaţii

complexe, cu greutate specifică mai mică decât a metalului lichid şi insolubilă înacesta.

Ea poate fi naturală, ca rezultat al interacţiunii metal-gaz, sau cel mai desartificială, rezultată din topirea materialelor de adaos.

Materialele de adaos: învelişuri de electrozi, fluxuri, miezul sârmelor tubulare,sunt amestecuri de componente zgurifiante, gazeifiante, stabilizatoare şi alianţe; printopire produc o zgură cu anumite proprietăţi fizice şi chimice ce stabilizează arcul,protejează metalul topit de acţiunea gazelor şi reglează compoziţia chimică a sudurii.

Principalele componente pot fi minerale: feldspat, mică, rutil, cretă, marmură,fluorită, cuarţ, materiale organice: celuloză, carboximetilceluloză, dextrină sausubstanţe chimice: silicat de sodiu/potasiu, pulberi metalice şi feroaliaje.

Reglarea compoziţiei chimice a sudurii este rezultatul interacţiunii metal-zgurăşi se materializează prin reacţii chimice de dezoxidare, rafinare şi aliere a metaluluibăii.

Procesul de dezoxidare în cazul oţelului, unde rezultatul oxidării este FeO,solubil în metalul lichid, este descris de reacţia generală de dezoxidare:

x[FeO]+y[Me] (MeyOx) + x[Fe] (2.57)prin [Me] simbolizând dezoxidantul utilizat şi care într-o scară descendentă a eficienţeipoate fi: Al, Ti, Si, Mn, Cr, C, H2- Procesul de dezoxidare depinde de temperatură,prin constanta de echilibru a reacţiei de dezoxidare şi de cantitatea de dezoxidantintrodus. In procesele de sudare se practică o dezoxidare chimică complexă (fig. 2.25),legat de faptul că fiecare dezoxidant are 'anumite avantaje, respectiv dezavantaje.

Apare şi un proces de dezoxidare prin difuzie, determinat de trecerea FeO dinmetalul băii în zgură, proces mai puţin intens şi care este caracterizat de o constantă dedistribuţie:

L = (FeO)/ [FeO] (2.58)

Fig. 2.25. Proprietăţile unor dezoxidanţi la temperatura de 1600°CRafinarea metalului băii presupune scoaterea incluziunilor S şi P prezente în

baie, sub formă de [FeS], [Fe3P] şi [F2P] în zgură. Procesul este un proces chimic şi sebazează pe utilizarea unor desulfuranţi: Mn, MnO, CaO, respectiv defosforanţi: CaO,MnO, în general substanţe componente ale zgurilor bazice.

Desulfurarea poate fi rezultatul uneia din reacţiile:[FeS] + [Mn] [Fe] + (MnS) (2.59)[FeS] + (MnO) [FeO] + (MnS) (2.60)[FeS] + (CaO) [FeO] + (CaS) (2.61)

sulfurile rezultate fiind insolubile în metal se separă în zgură. In mod analog se desfăşoară şi procesul de defosforare:

2 [Fe2P] + 5 [FeO] + 3 (CaO) 9 [Fe] + ((CaO)3 • (P2O5)) (2.62)2 [Fe3P] + 5 [FeO] + 3 (MnO) 1l [Fe] + ((MnO)3 • (P2O5)) (2.63)Alierea sudurii se desfăşoară simultan cu dezoxidarea şi rafinarea, putându-se

realiza prin fază gazoasă, fază metalică sau prin zgură. Prin accesibilitatea tehnologicăşi din raţiuni economice se preferă alierea prin zgură, respectiv trecerea elementelor dealiere din zgură în metalul picăturii [EA]S printr-un proces de difuzie cu precădere lanivelul picăturii, procesul depinzând în esenţă de gradientul de concentraţie şi timpul tde contact dintre zgură şi metal:

[EA]s = (EA)z.(l-e-k>t) (2.64)Procesul este completat de un proces de aliere pe baza unor reacţii volumice

determinat de diferenţa greutăţilor specifice ale metalului şi zgurii şi de vâscozitateazgurii, viteza de trecere a elementelor de aliere din zgură în metal fiind:

(2.65)Dezoxidantii, rafinatorii şi alianţii pot fi feroaliaje, pulberi metalice sau oxizi

metalici introduşi în materialele de adaos în conţinuturi corespunzătoare scopului.Urmare a interacţiunii complexe metal-gaz-zgură desfăşurate în zona de sudare

sudura dobândeşte compoziţia chimică dorită [EA]s:[EA]s = γ[EA]d + (l -γ)[EA]b ± [EA] (2.66)unde:· γ- coeficientul de participare a metalului depus la formarea sudurii;· [EA]d – compoziţia chimică a metalului depus;· [EA]b - compoziţia chimică a metalului de bază;· ±[EA] - variaţia concentraţiei corespunzătoare interacţiunii metal-gaz-zgură.

Relaţia (2.66) poate fi particularizată procesului de sudare şi compoziţieichimicedorite pentru sudură.

2.5. Modificări de volum la sudareModificările de volum la sudare sunt rezultatul încălzirii locale neuniforme şi

răcirii pieselor la sudare şi se manifestă prin apariţia deformaţiilor şi tensiunilor înîmbinarea sudată.

In procesele de sudare, temperatura modificându-se de la temperatura băii Tb, lacea ambiantă Ta, deformaţiile volumice relative care apar au valori importante:

ev =3α(Tb-Ta) (2.67) - fiind coeficientul liniar de dilatare termică.

Deformaţiilor termice care apar, li se opune rigiditatea straturilor înconjurătoarede metal, ca rezultat apărând deformaţiile elasto-plastice ale îmbinărilor sudate.

e = et-em (2.68)et - fiind deformaţia termică relativă liberă la răcire a unui element din volumulîmbinării sudate, iar em deformaţia relativă măsurată.

Dependenţa et (T) poate fi determinată experimental prin curba dilatometrică,după cum şi em poate fi determinată experimental.

In cazul structurilor sudate, cantitatea de metal încălzit este mai mică decât cearece. Rezultă că după răcirea îmbinărilor sudate, contracţiile acestora vor fi mai maridecât dilataţiile, apar deformaţii împiedicate parţial, sau rareori total, ale elementelorsudate. Aceasta va conduce la apariţia tensiunilor reziduale, care tensiuni rezidualedepăşesc rareori limita de curgere Rp a materialului de bază.

Doar la structuri foarte rigide sau la fixarea pieselor în dispozitive, tensiunilereziduale pot să atingă şi să depăşească Rp.

La sudurile cap la cap, apar următoarele tipuri de deformaţii şi tensiuni reziduale(fig. 2.26):

· contracţia transversală Δ b;· contracţia longitudinală Δ l;· rotaţia longitudinală α 1;· rotaţia transversală α 2.

Dacă deformaţiile respective sunt împiedicate, apar tensiunile rezidualetransversale: σ1( Δb), σ4(α2) şi longitudinale: σ 2(Δ 1) şi σ 3(α 1).

Fig. 2.26. Deformaţii şi tensiuni în îmbinări sudate a - îmbinări cap la cap ; b – îmbinăriin colţ;

Sudurile în colţ prezintă următoarele deformaţii şi tensiuni:· contracţii longitudinale şi transversale identice ca cele de la suduri cap la cap;· rotaţii longitudinale: α1,α 2;· rotaţia transversală: α 3 pentru suduri bilaterale.

Impiedicarea acestor deformaţii generează tensiunile: σ1(α 1, α 2) transversale pesudură sau σ 2 (α 3) longitudinale, respectiv ca şi la sudurile cap la cap, prinîmpiedicarea lui Δb şi Δl.

In cazurile în care valoarea tensiunilor reziduale depăşeşte Rm a materialului, potapărea fisuri în îmbinarea sudată.

Factorii de influenţă pentru apariţia deformaţiilor şi tensiunilor sunt:· caracteristicile termofizice şi mecanice ale metalului: α t ↑,λ↓ , Rp ↑, E ↑, Tt ↑.

Influenţa acestora asupra creşterii mărimii deformaţiilor şi tensiunilor este de formacelei prezentate.

· concepţia structurii sudate prin rigiditatea/grosimea pieselor şi ordinea desudare, numărul de subansambluri. Rigiditatea mare creşte nivelul tensiunilor şi scadedeformaţiile. Ordinea de sudare reduce nivelul deformaţiilor şi tensiunilor, atunci cândaxele centrelor de greutate ale sudurilor vor fi mai apropiate de axa neutră a structuriişi se vor anula la dispoziţia simetrică a lor.

· procedeele şi tehnologiile de sudare influenţează nivelul tensiunilor şideformaţiilor prin nivelul de uniformitate a câmpului termic şi volumul băii de sudură.Ele cresc când neuniformitatea câmpului termic creşte şi scade nivelul băii de sudură.

Fig. 2.27. Ordinea de sudare necesară reducerii deformaţiilor şi tensiunilor.

Evaluarea cantitativă a deformaţiilor se face prin metode diferite şi variate.Pentru scopuri tehnologice se folosesc relaţii simple, a căror precizie se opreşte laordinul de mărime.

Contracţia transversală pentru suduri cap la cap:

(2.69)

(2.70)iar pentru sudurile în colţ:

(2.71)Contracţia longitudinală l pentru suduri cap la cap:

sau

(2.72)

sau

(2.73)

Ap fiind secţiunea transversală a pieselor solicitată la compresiune iar la cele în colţ:

(2.74)In cazul sudurilor întrerupte b şi l se micşorează cu:f=lc/Lc(2.75)

pe care s-a realizat îmbinarea.Rotirea pieselor α 2 se apreciază pentru suduri cap la cap cu:

(2.76)şi pentru suduri în colţ

(2.77)Relaţiile prezentate dau posibilitatea estimării deformaţiilor. Apreciind valoarea

lor se pot aplica modalităţi de prevenire a lor, care pot fi:- metode mecanice;- metoda încălzirilor locale.Metodele mecanice constau din predeformări sau poziţionări inverse. Estimarea

acestora se apreciază, pe baza deformaţiilor ce s-ar produce, dacă nu s-ar realizapredeformările, spre exemplu (fig. 2.28). Dacă metalul pieselor are înclinaţie spreîmbătrânirea tensotermică, predeformarea nu se aplică, existând riscul de fragilizare.

Fig. 2.28. Predeformări ale pieselor pentru reducerea deformaţiilor la sudare

Încălzirile locale aplicate la îndreptarea pieselor deformate acţionează conformregulii contracţiilor şi dilataţiilor. încălzirea se face cu flacără de gaze, suprafeţeleîncălzite, având diametrul între 50-100 mm, temperatura metalului, oţelurilor, să fiecorespunzătoare unei culori roşii de cireaşă. Când se atinge încălzirea respectivă,procesul se opreşte şi piesa începe să se răcească. Contracţiile fiind mai mari decâtdilataţiile, deformează piesa, în sensul micşorării ariei din jurul porţiunii în care a fostîncălzită , reducând deformaţiile.

Metodele sunt aplicabile metalelor plastice; la materialele fragile, fonta înspecial, se pot practica ciocăniţi ale zonei sudate după terminarea sudării. Astfel semicşorează, prin relaxare, tensiunile reziduale şi corespunzător şi deformaţiile.Loviturile trebuie să fie uşoare pentru a nu cauza deformaţii plastice pe suprafaţasudurii, care ar provoca fragilizări locale. Dacă apar şi tensiuni de întindere, se potiniţia fisuri.