Bazele Proceselor de Sudare

1. SUDAREA CA PROCES TOPOCHIMIC

Structura metalelor aflate în stare solidă este formată dintr-o reţea de ioni pozitivi şi un gaz electronic ce se poate deplasa cu anumite restricţii în interiorul corpului. Între ioni se exercită forţe de interacţiune de natură gravitaţională, magnetică sau electrică ce pot fi de atragere sau respingere.

Ca efect al acestei interacţiuni energetice este distribuţia spaţială ordonată a ionilor ce formează reţeaua cristalină a metalelor.

Gazul electronic interacţionează cu ionii reţelei printre care se deplasează, fără a avea însă posibilitatea părăsirii corpului. Existenţa ordinii de dispunere riguroase a ionilor precum şi interacţiunea ionilor cu gazul electronic determină proprietăţile fizice şi mecanice ale corpurilor metalice.

Sudarea metalelor este un procedeu de asamblare nedemontabilă realizând îmbinări prin stabilirea unei legături între reţelele cristaline ale elementelor ce formează structura sudată.

Stabilirea unei astfel de legături prin simpla suprapunere în condiţii normale de presiune şi temperatură a două suprafeţe aparţinând unor corpuri metalice identice din punct de vedere al compoziţiei chimice este imposibil de realizat, cauzele fiind următoarele:

1. imposibilitatea realizării contactului între toate punctele ce aparţin celor două suprafeţe;

2. existenţa pe suprafaţa metalelor a unui strat nemetalic format din oxid, particule de praf ionizate, molecule de apă, etc;

3. existenţa barierelor de potenţial pe suprafeţele corpurilor, bariere care împiedică formarea legăturilor între reţelele cristaline.

În concluzie se poate spune că pentru a se putea obţine o îmbinare între cele două corpuri este necesară îndeplinirea succesivă a următoarelor două condiţii:

a) apropierea suprafeţelor de îmbinat la o distanţă comparabilă cu parametrul reţelei cristaline, distanţă la care devine posibilă stabilirea interacţiunii energetice;

b) stabilirea interacţiunii energetice între ionii reţelelor cristaline aparţinând suprafeţelor de îmbinat;

Aceste 2 etape sunt specifice reacţiilor topochimice şi pentru a le parcurge este necesară o activare energetică care poate fi sub formă de activare termică sau activare mecanică. Corelaţia între parametrii tehnologici temperatură şi presiune este o caracteristică pentru fiecare tip de material. Îmbinarea sudată se poate obţine atât prin acţiune separată cât şi simultană a celor două forme de activare (termică şi mecanică).

Curba C separă câmpul parametrilor tehnologici în două domenii dintre care domeniul superior corespunde valorilor necesare realizării sudurii. Acest domeniu este împărţit în 3 zone care sunt determinate de formele de activare ce intervin pentru obţinerea structurilor sudate.

1. Zona activării mecanice este cuprinsă între ordonata graficului şi verticala corespunzătoare temperaturii de recristalizare. În această zonă are loc sudarea exclusiv sub acţiunea presiunii. Deoarece întregul proces se desfăşoară fără o activare termică însemnată (temperatura este mai mică decât temperatura de recristalizare) procesul de sudare este denumit sudare prin presiune la rece;

2. Zona activării simultane (mecanică + termică). În domeniul de temperatură Tr şi Tt îmbinarea corpurilor aflate în stare solidă se face la valori ale presiunii care scad pe măsura creşterii temperaturii. Procesul de sudare corespunzător acestei zone este denumit sudare prin presiune. Se menţionează faptul că sudarea prin presiune la rece reprezintă o formă particulară a sudării prin presiune.

3. Zona activării termice. În cazul în care activarea termică determină creşterea temperaturii la valori ce depăşesc temperatura de topire, îmbinarea sudată se obţine fără deformare plastică. Acest proces se numeşte sudare prin topire.

2. MODELUL FIZIC AL SUDĂRII ÎN STARE LICHIDĂ

Sudarea în stare lichidă este rezultatul unei activări termice importante, activare ce determină încălzirea corpurilor la temperaturi superioare temperaturii de topire.

În fig. 1.2. sunt prezentate etapele de formare a îmbinării sudate prin topire

a) etapa de topire a marginilor materialului de bază şi a materialelor de adaos;

b) cristalizarea băii metalice şi formarea cusăturii

Studiul modelului fizic al sudării în stare lichidă este determinat de o particularitate deosebită a acestui proces şi anume aceea că localizarea băii de metal topit determină în zona învecinată un ciclu termic ale cărui caracteristici variază în limite largi.

Analiza macro şi micro-structurală a îmbinării relevă existenţa a trei zone şi anume:

- cusătura sudată;

- zona de trecere;

- zona influenţată termomecanic.

Fiecare zonă are caracteristici distincte. Un caz deosebit al sudării este cel al unor piese din metale diferite. Obţinerea unei îmbinări sudate cu caracteristici mecanice corespunzătoare este determinată de solubilitatea reciprocă a metalelor în stare lichidă. Din acest punct de vedere, în mod practic, se întâlnesc trei situaţii:

1. solubilitate totală în stare lichidă şi solidă – este cazul sudării elementelor din acelaşi metal sau a cuplurilor de tip Fe-Ni, Au-Ag, Ni-Mn. În acest caz legătura se realizează încă din faza lichidă iar la solidificare se formează cristale constituite din atomii ambelor metale iar îmbinarea va avea caracteristici mecanice foarte bune;

2. solubilitate limitată în stare lichidă – caracteristic cuplurilor Fe-Cu, Cu-Zn. Şi în acest caz după solidificarea băii de metal lichid are loc o cristalizare separată a celor două metale, îmbinarea prezentând caracteristici mecanice scăzute;

3. insolubilitate totală în stare lichidă şi solidă – este cazul cuplurilor Fe-Pb, Fe-Ag, şi în această situaţie la răcire se constată existenţa a două părţi separate fără nici o legătură reciprocă. Caracteristicile mecanice obţinute pe o astfel de îmbinare sunt necorespunzătoare.