Electrodul de sudare poate fi sub formă de sârmă sau bandă, ceea ce determină tipul variantei de sudare, conform clasificării ISO 4063-2011, tabelul 4.5. Arcul electric este realizat între electrod şi piesa metalică, fiind protejat de un strat de flux. Toate variantele de sudare sunt mecanizate, elementele principale ale procesului de sudare, fiind ilustrate în figura 4.16.

Sârma electrod este antrenată de un mecanism cu role acţionat de un motor electric cu turaţie reglabilă. Viteza de avans a sârmei electrod este corelată cu tensiunea din arcul electric, prin mecanismul de reglare extern al sursei de curent. Arcul electric se iniţiază la atingerea piesei metalice de către sârma electrod, după care arde stabil sub stratul protector de flux granulat, figura4.17. În coloana arcului electric se degajă gaze ce formează o cameră stabilă sub stratul de flux, dar care sunt evacuate uşor datorită permeabilităţii ridicate la gaze a stratului de flux. Granulaţia fluxului determină controlul degazării băii metalice, în funcţie de tipurile de flux utilizate la sudare.

Parametrii de productivitate a acestui procedeu de sudare depind în principal de parametrii curentului de sudare, de viteza de avans a sârmei electrod şi de caracteristicile fluxului de sudare utilizat. Fluxul de sudare poate să conţină elemente de aliere, iar densitatea de curent este cuprinsă între 25 şi 100 A/mm2, figura 4.18. Sudarea este posibilă atât în curent continuu, cât şi în curent alternativ. Deasupra băii metalice se formează un strat de flux topit, care interacţionează metalurgic cu baia de sudare, realizându-se concomitent dezoxidarea şi alierea băii metalice.

Procedeul de sudare sub strat de flux se aplică în cazul sudării recipienţilor sub presiune, în industria navală, a construcţiilor civile, poduri, zgârie-nori, în industria grea, în general la fabricarea elementelor structurale cu portanţă ridicată.

Avantajele procedeului de sudare sub strat de flux sunt enumerate mai jos:

• rată de depunere înaltă;
• calitate a sudurii foarte bună, independentă de îndemânarea operatorului;
• posibilitatea de aliere a cusăturii sudate prin sârmă şi/sau flux;
• grad de utilizare înalt al materialului de adaos;
• posibilitatea de automatizare a procesului;
• lipsa necesităţii de protecţie a vederii operatorului;
• degajare de fum foarte redusă.

Ca dezavantaje ale procedeului de sudare, se poate aminti:

• riscul de contaminare a cusăturii sudate prin flux (impurităţi, umezeală);
• limitarea sudării în poziţie orizontală, datorită necesităţii de menţinere a fluxului în poziţie şi datorită fluidităţii mai mari a băii de sudare.

Granulaţia fluxului determină controlul degazării băii metalice, o granulaţie mare asigurând o degazare rapidă necesară la viteze mari de sudare. Calitatea şi aspectul cusăturii sudate este favorizată de utilizarea unui flux cu granulaţie mai fină, însă aceste fluxuri prezintă o sensibilitate mărită la absorţia de umezeală higroscopică. Fluxurile de sudare sunt clasificate conform EN760, figura 4.19.

Fluxurile topite se obţin prin topirea în cuptoare electrice a componentelor fluxului, obţinându-se un produs omogen, care după solidificare este măcinat la granulaţia dorită. Fluxurile aglomerate sunt compuse din componente uscate în cuptoare electrice, măcinate la diferite granulaţii şi amestecate în diferite proporţii, utilizând silicat de sodiu ca şi liant pentru a asigura legarea particulelor între ele şi formarea unui amestec omogen. În funcţie de temperatura la care se face uscarea în procesul de fabricaţie, fluxurile aglomerate pot fi ceramice (300-400˚C) sau sinterizate (800-900˚C). 

Compoziția chimică

Compoziţia chimică a fluxului de sudare determină proprietăţile cusăturii sudate, condiţiile specifice de sudare şi consumurile specifice. În funcţie de compoziţia chimică a principalelor componente ale fluxurilor de sudare, este prezentată clasificarea din tabelul 4.6. Fluxul poate prezenta diferite granulaţii, mărimea granulelor fiind plasată în domeniul 0,08-2,5 mm. O granulaţie fină se foloseşte atunci când se urmăreşte obţinerea unei cusături cu suprafaţa netedă sau când se sudează cu curenţi de intensitate ridicată. Aceste fluxuri prezintă însă un pericol crescut de contaminare cu umezeală. O granulaţie mare a fluxului permite o degazare mai bună a băii de sudare, ceea ce este un avantaj în cazul sudării cu viteză mare sau la sudarea pieselor cu suprafaţă impurificată.

În funcţie de valoarea indicelui de bazicitate B0 fluxurile de sudare sunt clasificate:

• acide (B0 < 0.9) , O2 > 700 ppm în metalul depus;
• neutre (0.9 < B0 < 1.3), O2 cuprins între 500 – 700 ppm în metalul depus;
• bazice (1.3 < B0 < 2.0), O2 cuprins între 350 – 500 ppm în metalul depus;
• înalt bazice (B0 > 2.0), O2 < 350 ppm în metalul depus.

Cu cât caracterul fluxului este mai acid, cu atât creşte cantitatea de siliciu introdusă în materialul
depus. La polul opus, cu creşterea caracterului bazic al fluxului de sudare, creşte activitatea materialului depus faţă de Mn, iar materialul depus va fi mai bogat în Mn. Acesta micşorează însă, vâscozitatea băii de sudare şi rata de depunere, reducând productivitatea.

Alegerea unui tip de flux de sudare trebuie să se facă în funcţie de următoarele elemente:

• caracteristicile metalului de bază;
• tipul îmbinării (în colţ, cap la cap);
• caracteristicile de rezistenţă urmărite ale cusăturii;
• pătrunderea cusăturii;
• după numărul de treceri;
• parametrii de sudare (intensitatea şi tensiunea curentului de sudare, viteza de sudare).

Pentru prevenirea contaminării cu hidrogen a băii de sudare, fluxurile trebuie depozitate în încăperi cu umiditate controlată (max. 80%), fiind ambalate în saci sau bidoane închise ermetic. Înainte de utilizare, fluxurile trebuie uscate la o temperatură recomandată de producător care este trecută uzual pe ambalajul produsului. Orientativ, uscarea fluxurilor topite se face la o temperatură de cca. 250°C timp de 2 ore, iar a celor aglomerate la o temperatură mai înaltă de cca. 300-350°C, timp de 2-3 ore. Printr-o manipulare atentă a fluxurilor pe durata procesului de sudare, acestea pot fi refolosite în amestec cu flux neutilizat, după îndepărtarea bucăţilor topite. În acest scop, instalaţia de sudare trebuie să fie prevăzută cu sistem de colectare şi sortare a fluxului. Trebuie acordat o atenţie şi duratei de valabilitate a fluxului, deoarece în timp proprietăţile fluxului se degradează, în special calitatea liantului – silicatul de sodiu. Datorită acestui considerent, fluxurile trebuie utilizate într-o perioadă de maxim 2-3 ani de la fabricare, conform specificaţiei producătorului.

La sudarea tablelor de grosime mare, rosturile de sudare trebuie să asigure deschideri mai mari pentru a asigura pătrunderea stratului de rădăcină. Datorită acestui fapt, este necesară susţinerea băii de sudare pe suport de cupru sau pe pernă de flux. O altă soluţie ar fi sudarea stratului de rădăcină prin procedeul MAG, urmând ca straturile de umplere să fie realizate prin sudare sub strat de flux.

Este esenţială alegerea unor parametri de sudare corespunzători, tabelul 4.7, deoarece stratul de flux împiedică vizualizarea cusăturii sudate în timpul procesului de sudare, cusătura devenind vizibilă abia după îndepărtarea fluxului şi a zgurei solidificate de pe suprafaţa cusăturii. Prin urmare, corectarea parametrilor de sudare în timpul operaţiei de sudare nu este recomandată, deoarece nu avem o confirmare vizuală a efectelor produse de această corecţie. Protejarea arcului electric de fluxul de sudare elimină necesitatea utilizării măştilor de protecţie, reduce cantitatea de gaze degajate în timpul operaţiei de sudare şi nu prezintă risc de iradiere a sudorului şi a personalului din vecinătatea postului de sudare.

Alegerea materialului adaos se face în funcţie de calitatea şi grosimea materialului de bază, de proprietăţile mecanice de rezistenţă ale cusăturii sudate şi foarte important, de calitatea fluxului de sudare utilizat. Condiţiile de calitate pentru materialul adaos sunt standardizate şi pot fi consultate în SR EN ISO 544:2011, Materiale consumabile pentru sudare. Principalele efecte ale elementelor de aliere prezente în compoziţia sârmei trefilate pentru sudare, sunt ilustrate în tabelul 4.8

În figura 4.20 este ilustrat un exemplu prin care metalul depus se imbogăţeşte în Mn datorită fluxului şi regimului de sudare ales. La un curent de sudare de 600 A şi un arc cu o tensiune de 30 V se obţin cele două puncte de intersecţie cu axa orizontală (Mn %) şi cea verticală (ΔMn %). La o compoziţie a sârmei de sudare de 0.25% Mn, metalul depus va avea o concentraţie finală de 0.4% Mn, datorită aportului de aliere din partea fluxului de sudare.

Modificând regimul de sudare (Is şi Ua) se poate ajunge la micşorarea conţinutului de Mn din metalul depus, funcţie de caracteristicile fluxului de sudare, respectiv în funcţie de parametrii curentului de sudare. Prin creşterea tensiunii arcului electric se măreşte cantitatea de flux consumată şi scade pericolul apariţiei porozităţii în cusătura sudată, ca urmare a prezenţei unor oxizi pe suprafaţa piesei. O creştere exagerată a tensiunii arcului de sudare, poate conduce la apariţia unor fisuri în cusătura sudată, cu punct de amorsare în linia de topire. Un alt parametru care influenţează bilanţul termic la sudare este lungimea liberă a sârmei. Valori mai ridicate pentru lungimea liberă a sârmei contribuie la o încălzire mai pronunţată a capătului acesteia şi astfel, la o creştere a ratei de depunere. Pierderile de energie din arcul electric ca urmare a energiei consumate pentru încălzirea sârmei pot conduce la o instabilitate a arcului, cu efect de oscilaţie a lăţimii şi pătrunderii cusăturii în metalul de bază. Lungimea liberă a capătului de sârmă este cuprinsă între 20 şi 65 mm, în funcţie de diametrul sârmei electrod.

Tipuri de sudări cu strat de flux

Datorită energiei liniare mari utilizate la sudare, se manifestă o tendinţă de creştere a grăunţilor cristalini în cusătura sudată şi în special în ZIT, cu efecte negative asupra caracteristicilor de rezistenţă a îmbinării sudate. Acest aspect, poate fi controlat într-o anumită măsură prin microalierea materialului adaos cu V şi Ti sau Nb. Aceste elemente cu afinitate mare faţă de oxigen sau carbon, formează o serie de compuşi chimici stabili termic, care împiedică creşterea grăunţilor de austenită în zonele supraîncălzite ale îmbinării sudate şi astfel este posibil obţinerea unor structuri cu grăunţi fini şi caracteristici mecanice superioare. Cuprul are un efect de protecţie anticorozivă a sârmei de sudare şi asigură în acelaşi timp un contact electric bun cu duza de contact. Acest fapt este important, deoarece există mişcare relativă între sârmă şi duza de contact electric, prin care circulă curenţi de intensitate foarte ridicată. Contactele electrice imperfecte, conduc la creşterea rezistenţei de contact şi implicit la creşterea căderii de tensiune pe contact şi la încălzirea locală a acestuia, cu risc major de sudare a sârmei în duza de contact. În plus, contribuie la mărirea stabilităţii arcului electric şi a procesului de sudare în general. În vederea creşterii ratei de depunere fără a afecta proporţional energia liniară la sudare, evitând neajunsurile unui efect termic pronunţat asupra materialului de bază, s-au dezvoltat diferite variante ale sudării sub strat de flux, figura 4.21:

• sudarea cu arc geamăn (twin wire);
• sudarea cu mai multe sârme (sudare în tandem sau multi wire);
• sudarea cu sârmă caldă (hot wire).

La sudarea cu arc geamăn, două sârme de sudare sunt legate în paralel la aceaşi sursă de curent şi avansează spre baia de sudare cu aceeaşi viteză. Se reduce gradul de diluţie, arcul electric fiind distribuit pe o suprafaţă mai mare şi astfel, are un efect pozitiv în special la sudurile de încărcare unde dorim să păstrăm proprietăţile materialului adaos, figura 4.21.b.

La sudarea în tandem, sârmele sunt alimentate separat de la două surse de curent şi pot forma o baie de sudare comună (cazul uzual) sau separată, figura 4.22.a. În această variantă este importantă polaritatea surselor de curent datorită suflajului magnetic, fiind astfel posibil mai multe scheme de alimentare. Procedeul de sudare în tandem conduce la creşterea vitezei de sudare (max. 200 cm/min) şi reduce pericolul de apariţie a porozităţii în metalul depus.

La sudarea în tandem cu arc geamăn se combină variantele de sudare în tandem cu cea de sudare cu arc geamăn, fiecare cap de sudare având două sârme, practic se alătură două capete de sudare cu arc geamăn, figura 4.22.b.

La sudarea cu mai multe sârme se pot adăuga până la 6 capete de sudare, figura 4.22.c, fiecare alimentat de la propria sursă de curent, sârmele conducătoare fiind alimentate în curent alternativ, iar restul în curent continuu cu polaritate inversă. În această variantă se pot atinge rate de depunere de până la 90 kg/h la sudarea longitudinală a ţevilor de grosime mare.

În figura 4.23 este ilustrată o variantă de sudare sub strat de flux cu adaos de pulbere metalică, pentru creşterea ratei de depunere. Pulberea metalică poate fi alimentată în amestec cu fluxul de sudare sau poate fi depusă în rostul de sudare, în faţa punctului de alimentare cu flux de sudare. Pătrunderea cusăturii sudate în metalul de bază este influenţată de unghiul capului de sudare cu direcţia de sudare, respectiv avem varianta trasă (α<90˚), neutră (α=90˚), sau împinsă (α>90˚). Pătrunderea maximă a cusăturii sudate se realizează în cazul în care α<90˚, adică în varianta în care axa capului de sudare face un unghi ascuţit cu direcţia de sudare. Acest efect poate fi explicat prin bilanţul energetic al arcului de sudare. În cazul în care arcul este orientat în faţa băii de sudare, produce o preîncălzire a materialului de bază şi o cantitate mai redusă de energie din arc este disponibilă pentru baia de sudare, respectiv pentru a obţine o adâncime de pătrundere ridicată. În funcţie de geometria cusăturii sudate în secţiune transversală pe care o dorim să o obţinem, se alege un unghi adecvat pentru capul de sudare, figura 4.24.

Sudarea sub strat de flux cu electrod sub formă de bandă este utilizată pentru realizarea prin încărcarea unor straturi rezistente la coroziune sau uzură depuse pe un substrat din oţel carbon sau slab aliat. Aceste proprietăţi ale unor componente metalice sunt necesare în industria chimică, petrochimică, nucleară sau în etapele de procesare ale unor materii prime care necesită tratarea cu medii activ chimice. Este o soluţie eficientă economic care înlocuieşte varianta utilizării oţelurilor inoxidabile rezistente la coroziune ce presupun un cost ridicat al materialului.

Electrodul este sub formă de bandă cu lăţime uzuală de 30, 60 sau 90 mm, dar sunt şi benzi cu lăţime de 120 mm şi cu o grosime de 0.5 mm. Procesul de sudare poate fi realizat în două variante:

• varianta SAW, cu arc electric, unde fluxul de sudare îndeplineşte funcţiile din procesul de sudare standard sub strat de flux, figura 4.25 a);
• varianta ESW, fără arc electric între electrodul bandă şi metalul de bază, iar fluxul se alimentează doar dintr-o parte. Zgura topită este conductoare electric, iar căldura necesară topirii electrodului şi metalului de bază se obţine prin efect Joule, la trecerea curentului de sudare prin fluxul topit şi baia de sudare, figura 4.25 b).

Transferul controlat de căldură prin baia de sudare, în varianta cu baie de zgură ESW1 asigură o diluţie şi pătrundere a materialului depus mai redusă şi astfel, o rezistenţă mărită la coroziune în funcţie de proprietăţile materialului adaos sub formă de bandă. Şi în aceste aplicaţii, proprietăţile fluxului de sudare sunt esenţiale în determinarea proprietăţilor stratului de încărcare depus prin sudare sub strat de flux.