65.2.2 Sudare cu arc metal și gaz și tungsten și gaz (GMAW și GTAW)

Sudarea cu arc de metal cu gaz (GMAW) și sudarea cu arc de tungsten cu gaz (GTAW) sunt ambele procese de sudare cu arc. În procesele de sudare cu arc, o sursă de putere de sudare AC sau DC este utilizată pentru a amorsa și menține un arc electric între un electrod și materialul de bază pentru a topi metalele. Figura 5 ilustrează procesele de sudare cu arc GMAW și GTAW.

Sudarea cu arc metalic cu gaz (GMAW) este denumită și sudare cu metal și gaz inert și (MIG) sau sudare metal cu gaz activ (MAG). Sârma de electrod consumabil, având o compoziție chimică similară cu cea a materialului de bază, este alimentată continuu dintr-o bobină în zona arcului. Se creează un arc electric între vârful sârmei și baia de sudură. Sârma, care este de obicei fire solide, este topită progresiv și adăugată în baia de sudură prin diferite moduri de transfer de metal și face parte din baia de sudură. În general, există patru moduri de transfer de metal, de exemplu, transfer prin scurtcircuit, globular, axial și pulverizat. Modul de transfer al metalului depinde de curentul arcului, tensiune, materialele de bază și de umplere, diametrul electrodului, polaritatea și tipul gazului de protecție.

Atât arcul, cât și baia de sudură sunt protejate de contaminarea atmosferică cu un gaz de protecție, care este livrat printr-o duză care este concentrică cu tubul de ghidare a sârmei de sudare din interiorul pistoletului de sudare. Gazul de protecție, sau amestecul de gaze, poate consta din gaz inert, cum ar fi argon, sau gaz activ cum ar fi CO2, sau un amestec de gaze inerte și active. Parametrii cei mai critici pentru GMAW includ următorii: tensiune, viteza de avans a firului (curent), viteza de deplasare, lungimea arcului (stick-out), gazul de protecție, diametrul sârmei și polaritatea (DC+ electrod pozitiv (DCEP) sau DC- electrod negativ (DCEN)) deoarece sursa de alimentare DC este folosită de obicei pentru GMAW).

Există două variante ale procesului GMAW, care sunt sudarea cu arc cu miez de flux (FCAW) și sudarea cu arc cu miez metalic (MCAW). Există multe caracteristici comune între cele trei procese, că toate sunt sudare cu arc cu electrozi de sârmă consumabili. Dar, există și câteva diferențe fundamentale, care sunt rezumate în Tabelul 1.

Procesul GMAW poate fi utilizat pentru a suda aproape toate materialele metalice, într-o gamă largă de grosimi de la 0,5 mm până la 30 mm sau mai mult, și este eficient în toate pozițiile. GMAW este un proces foarte economic deoarece are o viteză de deplasare și o rată de depunere mai mare și nu necesită opriri frecvente pentru a schimba electrozii. În plus, este necesară curățarea minimă după sudare, deoarece zgura este aproape absentă, în special în GMAW cu sârmă solidă. Aceste avantaje fac ca procesul să fie foarte bine adaptat pentru a fi automatizat și în special pentru aplicațiile de sudare robotică. Aproximativ 80% din sudarea cu arc robotizat este sudare GMAW.

Pentru a crește și mai mult viteza de deplasare și rata de depunere, a fost dezvoltat procesul GMAW cu două fire sau fire-duble (The Lincoln Electric Company 2003). În procesul GMAW cu două fire, două fire sunt alimentate continuu printr-un pistolet special de sudare și sunt consumate pentru a forma o singură baie de topire. Arcele ambelor electrozi de sârmă contribuie la o baie de sudură comună, dar fiecare este controlat independent de propria sa sursă de putere. Primul electrod, „șeful”, controlează rata de depunere și penetrarea. Al doilea electrod, „condus”, controlează aspectul cordonului de sudură. Sistemele cuprind în mod normal două unități separate de alimentare cu sârmă și două surse de putere, astfel încât firele pot fi operate independent, adică cu diferite diametre de sârmă, nivele de curent sau moduri de funcționare (continuu sau pulsat). În modul pulsat, curentul din fiecare sârmă este pulsat alternativ pentru a evita interacțiunile magnetice dintre cele două arce. Sudarea are loc în mod obișnuit cu cele două sârme în linie de-a lungul liniei de îmbinare, deși pistoletul poate fi rotit peste îmbinare pentru a da un cordon de sudură mai larg. Figura 6 ilustrează procesul GMAW cu două sârme și configurația sistemului său robotic. Această tehnologie poate fi utilizată numai pentru sudarea mecanizată sau robotică datorită preciziei necesare în poziționarea pistoletului voluminos. Accesibilitatea îmbinării este, de asemenea, restricționată din cauza dimensiunii pistoletului.

O altă dezvoltare a GMAW este reducerea aportului de căldură. Tehnologia se numește transfer de metal la rece (CMT) prin încorporarea mișcărilor sârmei direct în controlul procesului (Fronius 2014). Pe perioada arcului, metalul de umplere este mutat spre baia de sudură. Când metalul de umplere se scufundă în baia de sudură, arcul este stins și curentul de sudare este scăzut. Mișcarea înapoi a sârmei ajută la desprinderea picăturilor în timpul scurtcircuitului. Mișcarea sârmei este apoi inversată și procesul începe din nou. Acest lucru face ca procesul să alterneze între perioade calde și reci. Menținând în continuare viteza mare și rata mare de depunere a unui proces GMAW, tehnologia CMT face arcul mai stabil și procesul de sudare fără stropi. De asemenea, permite procesul GMAW aplicabil pentru sudarea tablelor foarte subțiri. Figura 7 ilustrează perioadele alternante de cald și rece în sudarea CMT.

Sudarea cu arc de tungsten cu gaz (GTAW) este, de asemenea, denumită în mod obișnuit sudare cu gaz inert și tungsten (TIG). GTAW folosește căldura generată de un arc electric format între un electrod de tungsten neconsumabil și piesa de prelucrat pentru a fuziona metalul în zona îmbinării și a produce un baie de sudură topită. Arcul este învelit într-un ecran de gaz inert pentru a proteja baia de sudură și electrodul neconsumabil. Procesul poate fi operat autogen fără umplere sau umplerea poate fi adăugată prin introducerea unei sârme sau tije consumabile în baia de sudură stabilită. GTWA poate fi rulat fie pe curent continuu, fie alternativ. Parametrii cei mai critici pentru GTAW includ curentul de sudare, lungimea arcului (tensiune), viteza de deplasare, gazul de protecție și polaritatea dacă este utilizată sursa de curent continuu.

DCEN este cel mai comun mod de operare și este utilizat pe scară largă pentru sudarea oțelurilor carbon, aliaje și inoxidabile, precum și a aliajelor de nichel și titan. Aliajele de cupru, cu excepția celor care conțin aluminiu în cantități semnificative, pot fi și ele sudate cu această polaritate. DCEP este utilizat pentru aliajele de aluminiu la sudarea cu heliu pur ca gaz de protecție, în timp ce AC este utilizat cel mai frecvent la sudarea aluminiului și aliajelor sale cu argon pur sau amestecuri de argon-heliu. Există mai multe variante ale procesului GTWA menite să îmbunătățească productivitatea și ele sunt GTAW orbitale, cu fir fierbinte și cu interstițiu îngust.

Spre deosebire de GMAW, aportul de căldură în GTAW nu depinde de viteza de avans a materialului de umplere. În consecință, procesul permite un control precis al generării de căldură și producerea de suduri de calitate superioară, cu distorsiuni reduse și fără stropi și fum de particule reduse. Procesul este foarte versatil și poate fi utilizat pentru sudarea oricărui sistem de metal sau aliaj și pe o gamă largă de grosimi, dar este de obicei limitat la 10 mm sau mai puțin din motive economice. Este potrivit în special pentru sudarea materialelor din tablă și pentru introducerea în rădăcina sudurilor țevilor. Dar, datorită ratei sale de depunere relativ lente, nu este privit ca un proces de înaltă productivitate.

Principalii producători de roboți lucrează de obicei împreună cu furnizorii de surse de putere de sudare pentru a oferi soluții totale pentru diverse aplicații de sudare GMAW și GTAW. Sistemul este compus din roboți, dispozitive de fixare și poziționare, surse de putere de sudură și pistolete, alimentatoare de sârmă (pentru procesul GMAW), controlere și module de detectare și monitorizare a sudurii.

65.2.3 Sudare cu fascicul laser și hibridă cu arc și laser (LBW și HLAW)