Základy svařovací techniky
Svařování je spojování kovů stejného nebo podobného složení působením tepla s přidáním nebo bez přidání stejného nebo podobného kovu. Pomocí svařování se díly nerozebíratelně vzájemně spojují tak, že vzniká jeden celek. Dobré svařování předpokládá intimní spoj, který se dosáhne jen tehdy, když se na místě svařování taví i základní materiál (zóna svaru).
Svařování elektrickým obloukem
Pro ocelové konstrukce přichází v první řadě v úvahu obloukové svařování, při němž se potřebné teplo získává elektrickým obloukem. Oblouk vzniká mezi základním dílem a tzv. elektrodou, která se přitom taví a dodává přídavný materiál. Správná volba přídavného materiálu (elektrody) má největší vliv na vlastnosti svarového spoje. Elektrody se volí podle charakteristických pevností základního materiálu, který se svařuje. Volba elektrod a stanovení podmínek svařování předpokládá odborné znalosti, a proto byla zřízena instituce zvlášť vyškolených „inženýrů specialistů pro svařovací techniku“, jejichž úkolem je mimo jiné dohlížet na svařovací práce a pravidelně opakovat certifikace svářečů.
Plynové svařování a řezání
Při plynovém svařování se potřebné teplo vytváří spalováním plynu, takže základní i přídavný materiál se taví. Důležitější je řezání. Řezací hořák má kromě tepelné trubice, která pracuje stejně jako při svařování, ještě jednu řezací trubici pro kyslík. Ohřátá ocel plamenem se propaluje a proudem kyslíku se vyfukuje. Řezání poskytuje hladké a přesné plochy, které pro mnoho účelů ocelových konstrukcí postačují bez dalšího opracování.
Svařitelnost
Při posuzování svarových spojů je třeba vzít v úvahu, že při svařovacím procesu se může výrazně změnit složení přídavného i základního materiálu. Velký význam má i změna struktury – mezi nataveným svarem a nezměněným základním materiálem existuje podle stupně tepelného působení zóna různé struktury, a tedy různých vlastností. Vedle svaru se nachází oblast, ve které se taví základní materiál (zóna provaření) a ve které se uskutečňuje spojení mezi svářecí zónou a základním materiálem. Okolní zóna materiálu je rovněž ještě silně zahřívána, i když zde již nebylo dosaženo teploty tání. V této zóně přehřátí se objevují značné změny struktury, takže je často rozhodující pro vlastnosti celého svarového spoje.
Praskavost svaru znamená vznik trhlin ve svaru, které vznikají bezprostředně po svařování ještě při vysoké teplotě nebo teprve při ochlazování v oblasti modrého žáru (přibližně 300 °C). Praskavost je do značné míry vlastností elektrod; vyskytuje se téměř jen u obalených elektrod, které jsou právě důležité pro ocelové konstrukce. Pro vznik trhlin musí být splněny dvě podmínky, a sice vysoká napětí v důsledku svařovacího procesu nebo jiných vnějších vlivů, jakož i zvýšení křehkosti materiálu.
Kromě metalurgických změn ve složení a struktuře materiálu jsou důležité i fyzikální procesy, které souvisejí s velkým množstvím tepla, jež se při svařování přivádí materiálu, a s přitom dosaženými vysokými teplotami. Zahřívání neprobíhá rovnoměrně, nýbrž jen v úzce omezených oblastech. S tepelným rozpínáním spojeným se zahřátím brání vnitřní napětí zahřáté zóny nezahřátým materiálem. K tomu přistupuje i vnější namáhání, protože části se při svařování musí pevně upnout, a proto se při zahřívání objevují plastická stlačení. Při ochlazování se šev a jeho okolí smršťují nejvíce (smršťování). Při ochlazování musí kvůli zamezenému prodloužení vzniknout nucená napětí (napětí ze smršťování). Předběžným ohřevem svařovaných dílů na 200 °C až 300 °C lze ochlazování značně zpomalit. Snížením účinku kalení se dosáhne lepší struktury, tvrdnutí je menší.
Zkoušení materiálů a svařovaných prací
Obecně: Protože kvalita svářecích prací závisí na řadě okolností a v neposlední řadě i na zručnosti a spolehlivosti odborného pracovníka, je nutný přesný dohled a zkoušení všech svářečských prací. Ze zkoušek se uvádějí ty pro zjišťování svařitelnosti materiálů a elektrod, porovnání podmínek svařování a postupů svařování pro daný případ, zkoušky vzorků atd.
Obr. 1 - Zkouška ohybem svarového spoje
Zkouška ohybem svarového švu: Je to zkouška ohybem jednoduchého nosníku obdélníkového průřezu (obr. 1), na němž je polokruhově opracovaný podélný žlábek v taženém vláknu znovu svařen jednou vrstvou, a to při pokojové teplotě. Šev způsobuje výrazné snížení deformovatelnosti, takže se zkušební vzorky často lámou zcela křehce a náhle. Úhel ohybu je u tenkých desek větší, s tloušťkou desky klesá.
Vrubová houževnatost: Při zkoušce ohybem svaru se většinou objevují trhliny nejprve ve svaru, takže nastává křehký lom. Základní materiál musí být schopen převzít zatížení, které vzniká náhle při křehkém roztržení svaru. Je třeba požadovat, aby se trhlina v oblasti svaru nešířila rychle ani do základního materiálu, nýbrž aby mohla postupovat jen pomalu. Základní materiál musí být dostatečně houževnatý, aby toto náhlé zatížení unesl, a tato schopnost musí zůstávat dostatečně zachována i při nízkých teplotách. Vrubová houževnatost stejně jako ostatní mechanické vlastnosti do značné míry závisejí na teplotě, při níž se zkouška provádí. Při nízkých teplotách, např. pod 0 °C, může klesnout na zlomek hodnoty při 20 °C. Poloha tohoto prudkého poklesu je důležitá pro posouzení materiálu. Pro svařované ocelové konstrukce se dnes požaduje materiál s dobrou odolností proti stárnutí, tj. vysoká vrubová houževnatost při rázové zkoušce na za studena tažených vzorcích.
Obr. 2 - Deformace při napěťových stavech vrubu
Tvrdost: Velký význam mají jevy tvrdosti v oblasti svařování. Důležité je znát nárůst tvrdosti, protože tažnost při lomu s rostoucí tvrdostí rychle klesá (obr. 3), zatímco pevnost v tahu σB stoupá téměř úměrně Brinellově tvrdosti HB. Pro konstrukční oceli platí přibližně σB = 0,36*HB. Jeden příklad tvrdosti hlavního koutového svaru I-nosníku je znázorněn na obr. 4. V přechodové zóně jsou na velmi malých vzdálenostech velké rozdíly v tvrdosti. Průběh tvrdosti závisí na vytvořené struktuře. Křivka σ-ε-l se mění tvrdostí podobně jako napěťový stav vrubu (obr. 2).
Obr. 3 - Brinellova tvrdost a prodloužení
Obr. 4 - Tvrdosti v oblasti svaru v krčku jednoho svařeného I-nosníku
Zkoušení hotových svařovaných spojů bez destrukce
Prozáření – Při prozáření malých tlouštěk lze rentgenový obraz učinit viditelným na jedné obrazovce. Místo rentgenových paprsků lze použít gama záření radioaktivních materiálů. Rentgenový obraz umožňuje usuzovat na kvalitu svaru. Zavřené strusky nebo póry, jakož i vady ve spojení a trhliny, lze takto zjistit a v daném případě odstranit.
Magnetické prášení – V té části oceli, která se zkouší, se vyvolá magnetické pole a potom se nanesené piliny rozloží podle pole. Z případných nepravidelností v magnetickém poli lze zjistit trhliny. Postup je účinný zejména pro vyhledávání povrchových trhlin, je však poměrně necitlivý na vměstky strusky a póry, jakož i na trhliny, které jsou ve vnitřku silnějších plechů.
Zkouška ultrazvukem – Ultrakrátké zvukové vlny se odrážejí nejen na hraničních plochách, ale i na rozhraních uvnitř, například na trhlinách nebo dutinách.