Основи на техниката на заваряване
Заваряването е съединяване на метали с еднакъв или сходен състав под действието на топлина, със или без добавяне на същия или сходен метал. Чрез заваряване частите се свързват неразделно помежду си така, че се получава едно цяло. Добрата заварка предполага интимно съединение, което се постига само тогава, ако на мястото на заваряване се разтопява и основният материал (зона на завара).
Електродъгово заваряване
За стоманени конструкции на първо място идва предвид електродъговото заваряване, при което необходимата топлина се получава от електрическа дъга. Дъгата се образува между основния детайл и т.нар. електрод, който при това се топи и дава допълнителен материал. Правилният избор на допълнителния материал (електрода) има най-голямо влияние върху свойствата на завареното съединение. Електродите се избират според характерните якости на основния материал, който се заварява. Изборът на електроди, определянето на условията за заваряване предполага професионални знания, поради което е създадена институцията на специално обучени „инженери специалисти по техника на заваряването“, чиято задача е наред с другото да контролират заваръчните работи и периодично да повтарят атестациите на заварчиците.
Газово заваряване и рязане
При газово заваряване необходимата топлина се получава чрез изгаряне на газа, така че основният и добавъчният материал достигат до стопяване. По-важно е рязане. Резакът за рязане има, освен топлинна тръба, която работи както при заваряване, още една тръба за кислородно рязане. С топъл пламък нагрятата стомана се прогаря и се продухва със струя кислород. Рязането дава гладки и прецизни повърхности, които са достатъчни за много цели на стоманените конструкции без последваща обработка.
Заваряемост
При оценка на заварени съединения трябва да се има предвид, че по време на процеса на заваряване съставът на добавъчния, както и на основния материал може значително да се промени. Голяма важност има и промяната на структурата – между разтопения шев и непроменения основен материал има, в зависимост от степента на топлинното въздействие, зона с различна структура и съответно с различни свойства. До шева се намира областта, в която се е топил основният материал (зона на проплав), и в която се осъществява свързването между зоната на заваряване и основния материал. Околната зона на материала също е все още силно нагрята, макар че там точката на топене вече не е достигната. В тази зона на прегряване настъпват големи промени в структурата, така че тя често е решаваща за свойствата на цялото заварено съединение.
Напукването на шева означава появата на пукнатини в шева, които възникват непосредствено след заваряването още при висока температура или може би едва при охлаждане в областта на синьото нажежаване (около 300°C). Напукването в много голяма степен е свойство на електродите; то се проявява почти само при обвитите електроди, каквито са особено важни за стоманените конструкции. За появата на пукнатини е необходимо да са налице два условия, а именно високи напрежения вследствие на процеса на заваряване или други външни въздействия, както и повишаване на крехкостта на материала.
Освен металургичните промени в състава и структурата на материала важни са и физическите процеси, които са свързани с големите количества топлина, които при заваряване се подават на материала и с достигнатите при това високи температури. Загряването не се извършва равномерно, а само в тясно ограничени области. Със загряването свързаното топлинно разширение е възпрепятствано от вътрешното напрежение на нагрятата зона от ненагретия материал. Към това се прибавя и външно напрежение, защото частите при заваряване трябва да бъдат здраво стегнати, поради което при загряването възникват пластични смачквания. При охлаждане шевът и неговата околност се свиват най-силно (свиване). При охлаждането поради възпрепятстваното разтягане трябва да възникнат принудителни напрежения (напрежения от свиване). Предварителното загряване на частите, които се заваряват, на 200 oC до 300 oC може значително да забави охлаждането. Поради намаляване на действието на закаляването се получава по-добро структурно оформяне, втвърдяването остава по-малко.
Изпитване на материали и заваръчни работи
Общо: Понеже качеството на заваръчните работи зависи от редица обстоятелства, а не на последно място и от умението и надеждността на специалиста, необходимо е точно наблюдение и изпитване на всички заваръчни работи. От изпитванията се посочват тези за установяване на заваряемостта на материалите и електродите, сравнение на условията за заваряване и методите на заваряване за даден случай, изпитвания на образци и т.н.
Фиг. 1 - Изпитване на огъване на заварения шев
Изпитване на огъване на заварен шев: Това е изпитване на огъване на една проста греда с правоъгълно сечение (фиг. 1), върху която полукръгово обработен надлъжен жлеб в опънатото влакно е заварен отново с един слой и то при стайна температура. Шевът предизвиква силно намаляване на деформируемостта, така че изпитваните образци често се чупят напълно крехко и внезапно. Ъгълът на огъване при тънки плочи е по-голям, той намалява с дебелината на плочата.
Ударна жилавост: При изпитването на огъване на шева в повечето случаи пукнатините се появяват най-напред в шева, така че настъпва крехко разрушаване. Основният материал трябва да е в състояние да поеме натоварването, което възниква внезапно при крехкото разцепване на шева. Трябва да се изисква пукнатината в зоната на заварката да не се разпространява бързо и през основния материал, а пукнатината да може да напредва само бавно. Основният материал трябва да бъде достатъчно жилав, за да поеме това внезапно натоварване, и това негово свойство трябва да се запази в достатъчна степен и при ниски температури. Ударната жилавост, както и другите механични свойства, в голяма степен зависят от температурата, при която се извършва изпитването. При ниски температури, напр. под 0 °C, тя може да спадне до част от стойността при 20 °C. Положението на това рязко спадане е важно за оценката на даден материал. За заварени стоманени конструкции днес се изисква материал с добра стареенеустойчивост, т.е. висока ударна якост при студено изпитване на надлъжно удължени проби.
Сл. 2 - Деформация при напрегнато състояние на засечка
Твърдост: Голямо значение имат явленията на твърдост в зоната на заваряване. Важно е познаването на нарастването на твърдостта, защото дилатацията при разрушаване бързо намалява с увеличаването на твърдостта (сл. 3), докато якостта на опън σB нараства почти пропорционално на Бринеловата твърдост HB. За строителните стомани приблизително σB = 0,36*HB. Един пример за твърдостта на главния ъглов шев на I-греда е показан на сл. 4. В преходната зона има при много малки разстояния големи разлики в твърдостта. Ходът на твърдостта зависи от образуваната структура. σ-ε-l линията се изменя по подобен начин с твърдостта, както и със състоянието на напрежение при врязване (сл. 2).
Фиг. 3 - Твърдост по Бринел и удължение
Фиг. 4 - Твърдости в зоната на шева в гърлото на един заварен I-носач
Неразрушаващо изпитване на готови заварени съединения
Просветляване – При просветляване на малки дебелини рентгеновото изображение може да се направи видимо на един екран. Вместо рентгенови лъчи могат да се използват гама-лъчи на радиоактивни материали. Рентгеновото изображение позволява да се съди за качеството на шева. Включвания на шлака или пори, както и грешки в свързването и пукнатини, могат така да се установят и при необходимост да се отстранят.
Магнитно преминаване – В онази част на стоманата, която се изпитва, се създава магнитно поле и тогава нанесените стружки се подреждат по полето. От евентуални неравномерности в магнитното поле могат да се открият пукнатини. Процедурата е ефикасна особено за откриване на повърхностни пукнатини, но е относително нечувствителна към шлакови включвания и пори, както и към пукнатини, които са във вътрешността на по-дебели плочи.
Изпитване с ултразвук – Ултракъсите звукови вълни се отразяват не само на граничните повърхности, но и на разделителните повърхности във вътрешността, като например на пукнатини или снадки.