Fonaments de la tècnica de soldadura
La soldadura és la unió de metalls de la mateixa composició o d’una composició semblant sota l’acció de la calor, amb o sense addició del mateix metall o d’un metall semblant. Mitjançant la soldadura, les peces queden unides de manera inseparable i formen un conjunt únic. Una bona soldadura pressuposa una unió íntima, que només s’aconsegueix quan al lloc de soldadura es fon també el material base (zona de fusió).
Soldadura per arc elèctric
Per a les estructures d’acer, en primer lloc s’ha de tenir en compte la soldadura per arc, en la qual la calor necessària s’obté mitjançant un arc elèctric. L’arc es forma entre la peça base i l’anomenat elèctrode, que en aquest procés es fon i aporta material addicional. L’elecció correcta del material d’aportació (elèctrode) és de màxima influència sobre les propietats de la unió soldada. Els elèctrodes s’escullen segons les resistències característiques del material base que s’ha de soldar. La selecció dels elèctrodes i la determinació de les condicions de soldadura requereixen coneixements especialitzats, motiu pel qual s’ha creat la institució d’“enginyers especialistes en tècnica de soldadura” especialment formats, la tasca dels quals és, entre altres coses, supervisar els treballs de soldadura i repetir de manera regular les homologacions dels soldadors.
Soldadura i tall amb gas
En la soldadura amb gas, la calor necessària es produeix per la combustió del gas, de manera que el material base i el material d’aportació arriben a fondre’s. Més important és el tall. El bufador de tall disposa, a més del tub de calor, que funciona igual que en la soldadura, d’un altre tub de tall per a l’oxigen. L’acer escalfat amb la flama calenta es perfora i es bufa amb el corrent d’oxigen. El tall proporciona superfícies llises i precises que són suficients per a molts usos de les estructures d’acer sense mecanitzat posterior.
Soldabilitat
Per a l’avaluació de les unions soldades cal tenir en compte que durant el procés de soldadura es pot modificar de manera notable la composició del material d’aportació, així com la del material base. També té gran importància el canvi d’estructura: entre el cordó fos i el material base inalterat hi ha, segons el grau d’acció tèrmica, una zona d’estructura diversa i, per tant, de propietats diferents. Al costat del cordó hi ha la zona en què s’ha fos el material base (zona de penetració) i en què es produeix la unió entre la zona de soldadura i el material base. La zona circumdant del material també es troba fortament escalfada, encara que allí ja no s’ha arribat al punt de fusió. En aquesta zona de sobreescalfament es produeixen grans canvis d’estructura, de manera que sovint és decisiva per a les propietats de tota la unió soldada.
La fissuració de la soldadura significa l’aparició d’esquerdes a la soldadura, que es produeixen immediatament després de soldar, encara a temperatura elevada, o potser només durant el refredament a la zona d’incandescència blava (al voltant de 300oC). La fissuració depèn en gran mesura dels elèctrodes; apareix gairebé només amb elèctrodes revestits, que són precisament importants per a les estructures d’acer. Perquè apareguin esquerdes cal que es compleixin dues condicions, és a dir, elevades tensions degudes al procés de soldadura o a altres influències externes, així com un augment de la rigidesa del material.
A més dels canvis metal·lúrgics en la composició i l’estructura del material, també són importants els processos físics, que estan relacionats amb les grans quantitats de calor que, durant la soldadura, s’aporten al material i amb les altes temperatures assolides. L’escalfament no es produeix uniformement, sinó només en zones molt limitades. La dilatació tèrmica associada a l’escalfament és impedida per la tensió interna de la zona escalfada pel material no escalfat. A això s’hi afegeix la tensió externa, perquè les peces durant la soldadura s’han de subjectar fermament; per això, en escalfar-se apareixen compressions plàstiques. Durant el refredament, la soldadura i el seu entorn es contrauen amb més intensitat (contracció). En refredar-se, a causa de la dilatació impedida, han d’aparèixer tensions forçades (tensions de contracció). Amb un preescalfament de les peces que s’han de soldar a 200 oC fins a 300 oC es pot alentir considerablement el refredament. A causa de la reducció de l’efecte d’enduriment s’obté una millor formació de l’estructura, i l’enduriment és menor.
Assaig de materials i treballs de soldadura
General: Com que la qualitat dels treballs de soldadura depèn d’una sèrie de circumstàncies, i també, en darrer terme, de l’habilitat i fiabilitat del professional, cal una supervisió i un control precisos de tots els treballs de soldadura. Entre les proves es troben les destinades a determinar la capacitat de soldadura dels materials i dels elèctrodes, la comparació de les condicions de soldadura i dels procediments de soldadura per a un cas donat, les proves de mostres, etc.
Fig. 1 - Prova de flexió de la soldadura
Prova de flexió de la soldadura: Es tracta d’una prova de flexió d’una biga simple de secció rectangular (fig. 1), en la qual un solc longitudinal treballat en semicercle a la fibra traccionada es torna a soldar amb una sola capa i això a temperatura ambient. La soldadura provoca una forta reducció de la deformabilitat, de manera que les proves sovint es trenquen de manera completament fràgil i sobtada. L’angle de flexió és més gran en plaques primes; disminueix amb el gruix de la placa.
Tenacitat a l’entalladura: En l’assaig de flexió de la soldadura, les esquerdes apareixen sobretot primer a la soldadura, de manera que es produeix una ruptura fràgil. El material base ha de ser capaç d’absorbir la càrrega que apareix sobtadament quan la soldadura es clivella de manera fràgil. Cal exigir que l’esquerda a la zona de la unió soldada no es propagui ràpidament pel material base, sinó que només pugui avançar lentament. El material base ha de tenir prou tenacitat per suportar aquesta càrrega sobtada, i aquesta capacitat s’ha de mantenir en grau suficient també a baixes temperatures. La tenacitat a l’entalladura, com altres propietats mecàniques, depèn en gran mesura de la temperatura a la qual es fa l’assaig. A baixes temperatures, per exemple per sota de 0 oC, pot baixar fins a una fracció del valor a 20 oC. La posició d’aquesta baixada brusca és important per a l’avaluació d’un material. Per a les estructures d’acer soldades avui s’exigeix un material de bona resistència a l’envelliment, és a dir, una alta resistència a l’entalladura en assaigs d’impacte en fred sobre provetes estirades.
Fig. 2 - Deformació en estats de tensió amb entalladura
Duresa: Les manifestacions de duresa a la zona de soldadura tenen una gran importància. És important conèixer l’augment de la duresa, perquè l’allargament en la ruptura disminueix ràpidament amb l’increment de la duresa (fig. 3), mentre que la resistència a tracció σB s’eleva gairebé proporcionalment a la duresa Brinell HB. Per als acers de construcció és aproximadament σB = 0,36*HB. Un exemple de la duresa del cordó angular principal d’una biga I es mostra a la fig. 4. A la zona de transició hi ha, a distàncies molt petites, grans diferències de duresa. L’evolució de la duresa depèn de l’estructura formada. La línia σ-ε-l varia de manera similar amb la duresa com amb l’estat tensional de l’osca (fig. 2).
Fig. 3 - Duresa Brinell i allargament
Fig. 4 - Dureses a la zona de la soldadura al coll d’una biga I soldada
Assaig no destructiu de juntes soldades acabades
Radiografia – En la radiografia de gruixos petits, la imatge radiogràfica es pot fer visible en una pantalla. En lloc dels raigs X es poden emprar raigs gamma de materials radioactius. La imatge radiogràfica permet deduir la qualitat de la soldadura. Les inclusions d’escòria o porus, així com els defectes d’unió i les fissures, es poden detectar així i, si escau, eliminar.
Flux magnètic – Es crea un camp magnètic en la part de l’acer que s’examina i aleshores les llimadures aplicades s’ordenen segons el camp. A partir de possibles irregularitats en el camp magnètic es poden detectar fissures. El procediment és eficaç sobretot per localitzar fissures superficials, però relativament insensible a les inclusions d’escòria i als porus, així com a les fissures que es troben a l’interior de planxes més gruixudes.
Assaig per ultrasons – Les ones sonores ultracurtes es reflecteixen no sols a les superfícies límit, sinó també a les superfícies de discontinuïtat a l’interior, com ara esquerdes o duplicitats.