Metalurgia sudurii

Sudarea, tehnica folosită pentru îmbinarea pieselor metalice, de obicei prin aplicarea căldurii. Această tehnică a fost descoperită în timpul eforturilor de manipulare a fierului în forme utile. Lamele sudate au fost dezvoltate în anul I mileniu, cele mai cunoscute fiind cele produse de armurierii arabi din Damasc, Siria. Procesul de carburizare a fierului pentru a produce oțel dur era cunoscut în acest moment, dar oțelul rezultat a fost foarte fragil. Tehnica de sudare - care implica împletirea fierului relativ moale și dur cu material cu conținut ridicat de carbon, urmată de forjarea ciocanului - a produs o lamă puternică și dură.

În vremurile moderne, îmbunătățirea tehnicilor de confecționare a fierului, în special introducerea fierului turnat, a sudat restrâns la fierărie și bijutier. Alte tehnici de îmbinare, precum fixarea cu șuruburi sau nituri, au fost aplicate pe scară largă la produsele noi, de la poduri și motoare feroviare până la ustensile de bucătărie.

Procesele moderne de sudare prin fuziune reprezintă o creștere a necesității de a obține o îmbinare continuă pe plăci mari de oțel. Rivettingul s-a dovedit că are dezavantaje, în special pentru un recipient închis, cum ar fi un cazan. Sudarea cu gaz, sudarea pe arc și sudarea cu rezistență au apărut toate la sfârșitul secolului XIX. Prima încercare reală de a adopta procese de sudare la scară largă a fost făcută în primul război mondial. În 1916, procesul de oxiacetilenă a fost bine dezvoltat, iar tehnicile de sudare folosite sunt încă utilizate. Principalele îmbunătățiri de atunci au fost în ceea ce privește echipamentul și siguranța. În această perioadă a fost introdusă și sudarea cu arc, folosind un electrod consumabil, dar firele goale utilizate inițial au produs suduri fragile. S-a găsit o soluție prin înfășurarea sârmei goale cu azbest și un fir de aluminiu împletit. Electrodul modern, introdus în 1907, constă dintr-o sârmă goală cu o acoperire complexă de minerale și metale. Sudarea cu arc nu a fost folosită universal până în al doilea război mondial, când nevoia urgentă de mijloace rapide de construcție pentru transport, centrale electrice, transport și structuri a stimulat lucrările necesare de dezvoltare.

Sudarea prin rezistență, inventată în 1877 de Elihu Thomson, a fost acceptată cu mult timp înainte de sudarea cu arc pentru îmbinarea plăcilor și prin cusătură. În timpul anilor 1920, s-a dezvoltat o sudare cu cap pentru fabricarea lanțurilor și îmbinarea barelor și tijelor. În anii’40 a fost introdus procesul de gaz inert, folosind un electrod de tungsten nereconsumabil pentru a realiza suduri de fuziune. În 1948, un nou proces ecranat cu gaz a utilizat un electrod de sârmă care a fost consumat în sudură. Mai recent, s-au dezvoltat sudarea cu fascicul de electroni, sudarea cu laser și mai multe procese cu faze solide, precum lipirea prin difuzie, sudarea prin frecare și îmbinarea cu ultrasunete.

Principii de bază ale sudării

O sudură poate fi definită ca o coalescență a metalelor produse prin încălzire 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 dimensiunile necesare. Căldura poate fi alimentată cu electricitate sau cu o flacără de gaz. Sudarea cu rezistență electrică poate fi considerată sudare prin fuziune, deoarece se formează un metal topit.

Procesele în fază solidă produc suduri fără topirea materialului de bază și fără adăugarea unui metal de umplutură. Presiunea este întotdeauna folosită și, în general, este furnizată o anumită căldură. Căldura fricțională este dezvoltată în imbinarea cu ultrasunete și prin frecare, iar încălzirea cuptorului este de obicei folosită în lipire de difuzie.

Arcul electric folosit la sudare este o descărcare de înaltă tensiune, cu curent înalt, în general, în intervalul 10-2000 amperi la 10–50 volți. O coloană de arc este complexă, dar, în linii mari, constă dintr-un catod care emite electroni, o plasmă de gaz pentru conducția curentă și o regiune de anod care devine comparativ mai caldă decât catodul datorită bombardamentului cu electroni. De obicei este folosit un arc de curent continuu (curent continuu), dar pot fi utilizate arcuri de curent alternativ (AC).

Intrarea totală de energie în toate procesele de sudare depășește cea necesară pentru a produce o îmbinare, deoarece nu toată căldura generată poate fi utilizată eficient. Eficiențele variază de la 60 la 90 la sută, în funcție de proces; unele procese speciale deviază mult de la această cifră. Căldura se pierde prin conducere prin metalul de bază și prin radiații către împrejurimi.

Majoritatea metalelor, atunci când sunt încălzite, reacționează 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 la topire. Un strat de oxid poate preveni lipirea corectă a metalului. Picăturile din metal topit acoperite cu oxid devin prinse în sudură și fac îmbinare fragilă. Unele materiale valoroase adăugate pentru proprietăți specifice reacționează atât de rapid la expunerea la aer, încât metalul depus nu are aceeași compoziție ca la început. Aceste probleme au dus 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 ajută în proces sau inactive și pur și simplu protejează suprafețele în timpul îmbinării.

Atmosfera inertă joacă un rol protector similar cu fluxurile. În arc metalic ecranat cu gaz și sudat cu arc de wolfram, sudarea unui arc inert - de obicei argon - curge dintr-un anul care înconjoară lanterna într-un flux continuu, deplasând aerul din jurul arcului. Gazul nu reacționează chimic cu metalul, ci îl protejează pur și simplu 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. Trece zone rezultă din trecerea unui arc de sudură: (1) metalul sudat sau zona de fuziune, (2) zona afectată de căldură și (3) zona neafectată. Metalul sudat este acea porțiune a îmbinării care a fost topită în timpul sudării. Zona afectată de căldură este o regiune adiacentă metalului de sudură care nu a fost sudat, dar care a suferit o modificare a microstructurii sau a proprietăților mecanice din cauza căldurii sudării. Materialul neafectat este acela care nu a fost încălzit suficient pentru a-și modifica proprietățile.

Compoziția metalelor sudate și condițiile în care se congelează (se solidifică) afectează în mod semnificativ capacitatea articulației de a satisface cerințele serviciului. În sudura cu arc, metalul de sudură cuprinde material de umplutură plus metalul de bază care s-a topit. După trecerea arcului are loc o răcire rapidă a metalului de sudură. O sudură cu un pas are o structură turnată cu boabe coloane care se extind de la marginea bazinului topit până la centrul sudurii. Într-o sudură multipass, această structură turnată poate fi modificată, în funcție de metalul special care este sudat.

Metalul de bază adiacent sudurii sau zonei afectate de căldură este supus unei serii de cicluri de temperatură, iar modificarea structurii sale este direct legată de temperatura de vârf în orice moment dat, de expunere și de ratele de răcire.. Tipurile de metale de bază sunt prea numeroase pentru a discuta aici, dar pot fi grupate în trei clase: (1) materiale neafectate prin căldură de sudare, (2) materiale întărite prin schimbări structurale, (3) materiale împietrite prin procese de precipitare.

Sudarea produce tensiuni în materiale. Aceste forțe sunt induse de contracția metalului sudat și de expansiunea și apoi prin contracția zonei afectate de căldură. Metalul neîncălzit impune o restricție asupra celor de mai sus și, pe măsură ce predomină contracția, metalul de sudură nu se poate contracta liber și o tensiune se acumulează în articulație. Acest lucru este în general cunoscut sub denumirea de stres rezidual, iar pentru unele aplicații critice trebuie îndepărtat prin tratamentul termic al întregii fabricări. Stresul rezidual este inevitabil în toate structurile sudate și dacă nu este controlat arcul sau denaturarea sudurii va avea loc. Controlul se exercită prin tehnica de sudare, tije și dispozitive, proceduri de fabricație și tratament termic final.

Există o mare varietate de procese de sudare. Mai multe dintre cele mai importante sunt discutate mai jos.