Osnove tehnike zavarivanja
Zavarivanje je spajanje metala istog ili istovrsnog sastava pod dejstvom toplote sa ili bez dodavanja istog ili istovrsnog metala. Pomoću zavarivanja dijelovi se nerazdvojivo međusobno vezuju tako da nastaje jedinstvena cjelina. Dobro zavarivanje pretpostavlja intimni spoj, koji se postiže samo onda ako se na mjestu zavarivanja rastapa i osnovni materijal (zona uvara).
Električno lučno zavarivanje
Za čelične konstrukcije prvenstveno dolazi u obzir elektrolučno zavarivanje, pri kojem se potrebna toplota dobija električnim plamenim lukom. Plameni luk se stvara između osnovnog komada i tzv. elektrode, koja se pri tome topi i daje dodatni materijal. Pravilan izbor dodatnog materijala (elektrode) ima najveći uticaj na osobine zavarene veze. Elektrode se biraju prema karakterističnim čvrstoćama osnovnog materijala koji se zavaruje. Izbor elektroda i utvrđivanje uslova zavarivanja zahtijeva stručno znanje, zbog čega je stvorena institucija posebno obrazovanih “inženjera specijalista za tehniku zavarivanja”, čiji je zadatak da, između ostalog, nadziru radove na zavarivanju i da redovno ponavljaju atestacije zavarivača.
Gasno zavarivanje i rezanje
Pri gasnom zavarivanju potrebna toplota proizvodi se sagorijevanjem gasa, tako da osnovni i dodatni materijal dolaze do topljenja. Važnije je rezanje. Plamenik za rezanje pored toplotne cijevi, koja radi kao i pri zavarivanju, ima još jednu cijev za rezanje za kisik. Čelik zagrijan toplim plamenom progorijeva se i produvava strujom kisika. Rezanje daje glatke i precizne površine koje su dovoljne za mnoge namjene čeličnih konstrukcija bez daljnje obrade.
Mogućnost zavarivanja
Za ocjenu zavarenih spojeva treba voditi računa da se tokom procesa zavarivanja može znatno promijeniti sastav dodatnog, kao i osnovnog materijala. Veliki značaj ima i promjena strukture – između rastopljenog šava i nepromijenjenog osnovnog materijala postoji, prema stepenu toplinskog djelovanja, zona različite strukture i prema tome različitih osobina. Uz šav se nalazi područje u kojem se topio osnovni materijal (zona uvara) i u kojem se ostvaruje spajanje između zone zavarivanja i osnovnog materijala. Okolna zona materijala je također još jako zagrijavana, iako tu više nije dostignuta tačka topljenja. U ovoj zoni pregrijavanja javljaju se velike promjene strukture, tako da je ona često presudna za osobine cijelog zavarenog spoja.
Ispucalost šava podrazumijeva pojavu naprslina u šavu, koje nastaju neposredno poslije zavarivanja još pri visokoj temperaturi ili možda tek pri hlađenju u oblasti plavog usijanja (na oko 300oC). Ispucalost je u visokoj mjeri osobina elektroda, ona se javlja gotovo samo kod omotanih elektroda, kakve su upravo važne za čelične konstrukcije. Za pojavu naprslina potrebno je da su ostvarena dva uslova, naime visoki naponi usljed procesa zavarivanja ili drugih spoljnih uzroka, kao i povećanje krutosti materijala.
Sem metalurških promjena u sastavu i strukturi materijala važni su i fizički procesi, koji su u vezi sa velikim količinama toplote, koje se pri zavarivanju dovode materijalu i pri tome dostignutim visokim temperaturama. Zagrevanje se ne vrši ravnomjerno, već samo u usko ograničenim oblastima. Sa zagrijavanjem vezana toplotna dilatacija sprečena je unutrašnjim naprezanjem zagrijane zone nezagrijanim materijalom. Uz to dolazi i spoljašnje naprezanje, jer se dijelovi pri zavarivanju moraju čvrsto stegnuti, stoga se pri zagrijavanju javljaju plastična sabijanja. Prilikom hlađenja skuplja se šav i njegova okolina najjače (skupljanje). Pri hlađenju moraju zbog sprečenog istezanja da se jave prinudni naponi (naponi od skupljanja). Prethodnim zagrijavanjem dijelova koji se zavaruju na 200 oC do 300 oC može se hlađenje znatno usporiti. Zbog smanjenja dejstva kaljenja dobija se bolje obrazovanje strukture, otvrdnjavanje ostaje manje.
Ispitivanje materijala i zavarenih spojeva
Opšte: Pošto kvalitet zavarenih radova zavisi od niza okolnosti, a ne na kraju i od vještine i pouzdanosti stručnog radnika, potrebno je tačno nadziranje i ispitivanje svih zavarivačkih radova. Od ispitivanja se navode ona za utvrđivanje sposobnosti zavarivanja materijala i elektroda, poređenje uslova za zavarivanje i postupaka varenja za jedan dati slučaj, ispitivanja uzoraka itd.
Sl. 1 - Ispitivanje savijanjem zavarenog šava
Proba na savijanje zavarenog šava: To je proba na savijanje jednostavne grede pravougaonog presjeka (sl. 1), na kojoj je polukružno obrađen podužni žlijeb u zategnutom vlaknu ponovo zavaren jednim slojem i to na sobnoj temperaturi. Šav prouzrokuje jako smanjenje deformabilnosti, tako da se probe često lome sasvim krto i iznenadno. Ugao savijanja je kod tankih ploča veći, on opada sa debljinom ploče.
Žilavost pri zarezu: Kod probe na savijanje šava većinom se javljaju naprslina najprije u šavu, tako da nastupa krt lom. Osnovni materijal mora biti u stanju da prihvati opterećenje koje se javlja naglo pri krtom prskanju šava. Treba zahtijevati da se naprslina u zoni zavara ne širi brzo i kroz osnovni materijal, nego da naprslina smije napredovati samo polako. Osnovni materijal mora biti dovoljno žilav da prihvati ovo iznenadno opterećenje i to mora ova sposobnost da ostane u dovoljnoj mjeri i pri niskim temperaturama. Žilavost pri zarezu kao i druge mehaničke osobine u velikoj mjeri zavise od temperature na kojoj se vrši proba. Pri niskim temperaturama, npr. ispod 0 oC može ona da spadne na dio vrijednosti pri 20 oC. Položaj ovog naglog opadanja je važan za ocjenu nekog materijala. Za zavarene čelične konstrukcije danas se zahtijeva materijal dobre postojanosti pri starenju, tj. visoka jačina sa zarezom pri udaru na hladno razvlačenim probama.
Sl. 2 - Deformacija pri naponskim stanjima zareza
Tvrdoća: Veliki značaj imaju pojave tvrdoće u zoni zavarivanja. Važno je poznavanje porasta tvrdoće, jer dilatacija pri lomu brzo opada sa povećanjem tvrdoće (sl. 3), dok se zatezna čvrstoća σB penje skoro proporcionalno Brinellovoj tvrdoći HB. Za građevinske čelike je približno σB = 0,36*HB. Jedan primjer tvrdoće glavnog ugaonog šava I-nosača prikazan je na sl. 4. U prelaznoj zoni postoje na vrlo malim rastojanjima velike razlike u tvrdoći. Tok tvrdoće zavisi od formirane strukture. σ-ε-l linija se slično mijenja tvrdoćom kao i naponskim stanjem zareza (sl. 2).
Slika 3 - Brinellova tvrdoća i izduženje
Sl. 4 - Tvrdoće u području zavara u vratu jednog zavarenog I-nosača
Nerazorno ispitivanje gotovih zavarenih spojeva
Prozračivanje – Pri prozračivanju malih debljina, može se rendgenska slika učiniti vidljivom na jednom ekranu. Umjesto rendgenskih zraka mogu se koristiti gama zraci radioaktivnih materijala. Rendgenska slika dozvoljava da se zaključuje o kvalitetu šava. Uključine šljake ili pore, kao i greške u vezivanju i naprsline, mogu se tako ustanoviti i u datom slučaju ukloniti.
Magnetno prostrujavanje – Izaziva se magnetno polje u onom dijelu čelika koji se ispituje i tada se naneseni opiljci raspoređuju prema polju. Iz eventualnih nepravilnosti u magnetnom polju mogu se otkriti naprsline. Postupak je efikasan naročito za pronalaženje površinskih naprslina, ali je relativno neosjetljiv prema uključinama šljake i porama, kao i prema naprslinama koje su u unutrašnjosti debljih ploča.
Ispitivanje ultrazvukom – Ultrakratki zvučni talasi reflektuju se ne samo na graničnim površinama, nego i na razdjelnim površinama u unutrašnjosti kao npr. na naprslinama ili udvajanjima.