Repararea matriţelor şi sculelor utilizând echipamente de sudare laser

Un aspect important în cadrul producției multor firme îl reprezintă uzarea sau deteriorarea matrițelor sau a unor componente ale acestora și respectiv a altor scule, cum ar fi scule pentru echipamente de ștanțat și de îndoit. În timpul proceselor de fabricație, componentele menționate mai sus pot fi afectate în diverse moduri, ca urmare a unor factori precum: utilizare inadecvată, uzură, coroziune, etc. Deși aceste defecte sunt de obicei locale, ele pot conduce la deteriorarea întregii componente.

Există câteva metode convenționale pentru repararea sculelor și matrițelor care prezintă zone cu uzură avansată, produse de materialul procesat (de exemplu: particule dure în materialul injectat) sau de către parametrii utilizați în procesul de fabricație (presiune, temperatură, stres mecanic, etc.).

Dintre toate alternativele, cea mai costisitoare este cea de a cumpăra o componentă nouă sau de a produce și de a durifica o nouă sculă sau matriță. Această alternativă este cea mai puțin economică deoarece întregul proces de producție al respective componente trebuie realizat din nou pentru a înlocui o componentă care prezintă doar o mică zonă deteriorată.

O altă posibilitate este de a trimite component la un atelier de reparații care utilizează metode convenționale pentru reparația unor astfel de componente (dispersie, acoperire galvanic sau operații de sudare). În primă fază, această alternativă pare a fi una economică, însă atrage după ea câteva riscuri, precum: indisponibilitatea componentei, nerespectarea de către furnizorul de servicii a termenelor promise sau probleme de calitate în zona reparată.

O altă alternativă este aceea de a repara piesa în propriul atelier, fapt ce duce la eliminarea costurilor de transport și a perioadelor lungi de indisponibilitate a componentelor. O metodă de reparare des utilizată este prin sudare TIG. Acest proces de sudare este unul flexibil, iar un aparat performant pentru sudarea TIG poate fi achiziționat la un preț relativ accesibil. În schimb, marile dezavantaje ale acestei metode de reparare sunt:

• Necesitatea de a avea un operator/sudor foarte priceput
• Necesitatea preîncălzirii piesei/sculei/matriței și reparării acesteia în stare caldă
• Stresul termic care este atât de mare încât este aproape imposibil să se repare zone foarte mici prin această metodă.

Dintre toate alternativele, cea mai sigură și rapidă metodă este repararea prin intermediul unui echipament de sudare laser, utilizându-se material de adaos sub formă de baghete de diametre mici.

În continuare voi face o succintă comparație între procedeul de sudare TIG și cel de sudare laser:

TIG (Tungsten Inert Gas):

• Creează o baie de material topit de dimensiuni mari (în comparație cu sudarea laser), conducând astfel la fragilizarea materialului de bază în zona respectivă
• Există riscul de contaminare a materialului de bază
• Conduce la deformarea componentelor ca urmare a unui aport termic considerabil introdus în acestea
• Posibilitatea existenței unor zone care să prezinte lipsa de topire a marginilor
• ntensitatea arcului la suprafața materialului de bază este influențată de modificarea continuă a lungimii arcului (datorită apropierii sau depărtării pistoletului de sudare față de piesă)
• Sudarea nu se poate realiza în zone foarte înguste
• Necesită preîncălzirea piesei care urmează a fi reparată

Se pretează în general în cazul componentelor mai mari, deasupra cărora pistoletul de sudare se poate manevra cu ușurință.

LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation):

• Baia de material topit este de mici dimensiuni și foarte bine localizată, iar riscul de contaminare a materialului de bază este neglijabil
• Datorită timpului foarte scurt de interacțiune dintre unda laser și piesa (de ordinul a câtorva ms) nu există riscul de apariție, în vecinătatea cordonului de sudură, a unor zone critice, cu granulație mare, fapt care reduce la minimum riscurile de rupere fragilă.
• Răcirea rapidă a cordonului de sudură (de ordinul a câtorva ms) permite obținerea unor durități de 45 - 60 HRC fără riscul de apariție a fisurilor
• Nu este necesară preîncălzirea piesei care urmează a fi reparată
• Datorită aportului scăzut de temperatură nu au loc deformații ale componentelor
• Parametrii undei laser sunt complet controlați de către echipament și din acest motiv nu este necesar ca operatorul să aibă o îndemânare foarte ridicată pentru a obținecordoane de sudură perfecte.

În general, putem spune că, în cazul operațiilor de sudare TIG, calitatea cordoanelor de sudură depinde foarte mult de îndemânarea sudorului, iar în cazul operațiilor de sudare laser influența factorului uman este mult diminuată.

Descrierea metodei de reparare a matriţelor/ sculelor utilizând echipamente laser

Matrița/piesa deteriorată va fi reparată prin încărcarea zonei uzate cu ajutorul unei baghete de material de adaos compatibilă cu materialul de bază și al unui echipament de sudare laser.

Bagheta este poziționată pe piesă manual în așa fel încât unda laser să poată topi atât bagheta cât și materialul de bază. Este foarte important ca bagheta să nu fie ținută complet în unda laser, ci să intre doar parțial în aceasta pentru a permite materialului topit să curgă, pentru a se evita formareaporilor.

FOTO 2. Sudura multistrat pentru încarcarea unei zone deteriorate

FOTO 3. Analiza micrografica a sectiunii unui cordon de sudura laser cu material de adios

Se utilizează în general același material de adaos ca și în cazul operațiilor de sudare TIG, însă diametrele vor fi mult mai mici (≤ 0,5 mm).

În cazul unor aplicații speciale, precum repararea unor muchii tăioase, se vor utiliza baghete cu un diametru de 0,1 mm.

În funcție de tipul de material de adaos utilizat și de destinația matriței sau sculei, se poate obține, în anumite condiții, o duritate de până la 60 HRC.

De asemenea, o baghetă cu diametrul de 0,3 – 0,4 mm, permite obținerea unui cordon de sudură cu o lățime de aproximativ 0,5 mm și o grosime de circa 0,2 mm.

În cazul în care este necesară acoperirea unor zone mai mari se pot depune mai multe cordoane de sudură unul lângă celălalt și/sau respectiv în mai multe straturi.

Modificări în structura materialului de bază în urma operaţiei de încărcare

Cantitatea majoritară de căldură din zona băii de material topit va fi transferată în materialul de bază, iar o mică cantitate de căldură se va disipa sub formă de radiație în mediul înconjurător. În zona aflată sub primul strat de material depus se creează zona influențată termic. În această zonă, microstructura materialului de bază poate suferi modificări conform unui câmp de temperatură continuă (care urmează să fie estimată din diagramele de transformare Timp-Temperatură).

În cazul oțelului, precum și în cazul fontei, zonele în care au loc durificarea și respective durificarea prin îmbătrânire, sunt foarte importante. În mod special transformările martensitice (din zona de sub materialul topit) pot produce solicitări de tracțiune nefavorabile pe suprafață prin dilatarea volumului (apare riscul de formareși propagare a fisurilor).

Din punctul de vedere al materialelor, modificările în microstructura zonei afectată termic depind de tipul și cantitatea elementelor de aliere, precum și de starea tratamentului termic aplicat piesei. Viteza de absorbție și cea de disipare a căldurii depind de parametrii procesului (putere, forma impulsului, tipul materialului de adaos), forma piesei și proprietățile materialului din care sunt realizate sculele sau matrițele.

Uniformitatea cordonului de sudură este extrem de importantă pentru calitatea unei reparații. Din acest punct de vedere, lipsa de topire a marginilor (care apare în mod obișnuit la reparațiile realizate prin procedeul TIG) determină o zonă de concentrare a tensiunilor, care conduce la ruperea structurii sub acțiunea unor sarcini alternante.

Defectele de suprapunere cauzate de utilizarea baghetelor groase de material de adaos sau de distanța mare și inconstanța dintre cordoanele de sudură succesive, conduc la formarea de cavități în care se pot aduna gaze sau lichide.

Aceste incluziuni (gaze și/sau lichide) conduc în timp la coroziune și la distrugerea componentei.

Acesta este motivul pentru care baghetele de sârmă cu diametre mai mari de 0,5 mm nu au sens în cazul operațiilor de sudare laser pentru reparații prin încărcare.

De asemenea, este foarte important ca echipamentul laser utilizat să fie capabil să sincronizeze automat frecvența impulsurilor laser cu viteza de deplasare a axelor. Acest lucru permite operatorului să obțină întotdeauna impulsuri echidistante independent de viteza cu care el deplasează axele echipamentului. Aceasta este o funcție foarte importantă și care se regăsește pe destul de puține echipamente de sudare laser existente pe piață.

SORIN UDREA este General Manager Lastechno Weld-Cut SRL