Βασικές αρχές της τεχνικής συγκόλλησης
Η συγκόλληση είναι η ένωση μετάλλων της ίδιας ή παρόμοιας σύνθεσης υπό την επίδραση θερμότητας, με ή χωρίς προσθήκη μετάλλου της ίδιας ή παρόμοιας σύνθεσης. Με τη συγκόλληση τα μέρη συνδέονται αδιάσπαστα μεταξύ τους έτσι ώστε να προκύπτει ένα ενιαίο σύνολο. Η καλή συγκόλληση προϋποθέτει στενή ένωση, η οποία επιτυγχάνεται μόνο όταν στο σημείο συγκόλλησης λιώνει και το βασικό υλικό (ζώνη ραφής).
Ηλεκτροσυγκόλληση
Για τις χαλύβδινες κατασκευές λαμβάνεται καταρχάς υπόψη η ηλεκτροσυγκόλληση, κατά την οποία η απαιτούμενη θερμότητα παράγεται από ηλεκτρικό τόξο. Το τόξο δημιουργείται μεταξύ του βασικού τεμαχίου και του λεγόμενου ηλεκτροδίου, το οποίο στη διαδικασία αυτή λιώνει και δίνει πρόσθετο υλικό. Η σωστή επιλογή του πρόσθετου υλικού (ηλεκτροδίου) επηρεάζει καθοριστικά τις ιδιότητες της συγκολλημένης σύνδεσης. Τα ηλεκτρόδια επιλέγονται ανάλογα με τις χαρακτηριστικές αντοχές του βασικού υλικού που συγκολλάται. Η επιλογή των ηλεκτροδίων και ο καθορισμός των συνθηκών συγκόλλησης προϋποθέτουν ειδικές γνώσεις, γι’ αυτό δημιουργήθηκε ο θεσμός ειδικά εκπαιδευμένων «μηχανικών ειδικών στην τεχνική συγκόλλησης», των οποίων καθήκον είναι, μεταξύ άλλων, να επιβλέπουν τις εργασίες συγκόλλησης και να επαναλαμβάνουν τακτικά τις πιστοποιήσεις των συγκολλητών.
Αεριοσυγκόλληση και κοπή
Κατά τη συγκόλληση με αέριο η απαιτούμενη θερμότητα παράγεται με την καύση αερίου, έτσι ώστε το βασικό και το πρόσθετο υλικό να τήκονται. Πιο σημαντική είναι η κοπή. Ο φλόγιστρο κοπής διαθέτει, εκτός από τον θερμαντικό σωλήνα, που λειτουργεί όπως και κατά τη συγκόλληση, ακόμη έναν σωλήνα κοπής για οξυγόνο. Ο χάλυβας που έχει θερμανθεί με τη θερμή φλόγα καίγεται και εκτοξεύεται με ρεύμα οξυγόνου. Η κοπή δίνει λείες και ακριβείς επιφάνειες που επαρκούν για πολλούς σκοπούς χαλύβδινων κατασκευών χωρίς περαιτέρω κατεργασία.
Συγκολλησιμότητα
Για την αξιολόγηση των συγκολλητών συνδέσεων πρέπει να λαμβάνεται υπόψη ότι κατά τη διαδικασία της συγκόλλησης μπορεί να μεταβληθεί σημαντικά η σύνθεση του προστιθέμενου, καθώς και του βασικού υλικού. Μεγάλη σημασία έχει και η μεταβολή της δομής – μεταξύ της λιωμένης ραφής και του αμετάβλητου βασικού υλικού υπάρχει, ανάλογα με τον βαθμό της θερμικής επίδρασης, ζώνη διαφορετικής δομής και συνεπώς διαφορετικών ιδιοτήτων. Δίπλα στη ραφή βρίσκεται περιοχή στην οποία έλιωσε το βασικό υλικό (ζώνη τήξης) και στην οποία πραγματοποιείται η σύνδεση μεταξύ της ζώνης συγκόλλησης και του βασικού υλικού. Η περιβάλλουσα ζώνη του υλικού θερμαίνεται επίσης ακόμη έντονα, παρόλο που εκεί δεν έχει πλέον επιτευχθεί το σημείο τήξης. Σε αυτήν τη ζώνη υπερθέρμανσης εμφανίζονται μεγάλες μεταβολές στη δομή, έτσι ώστε συχνά να είναι καθοριστική για τις ιδιότητες ολόκληρης της συγκολλητής σύνδεσης.
Η ρηγμάτωση της ραφής σημαίνει την εμφάνιση ρωγμών στη ραφή, οι οποίες δημιουργούνται αμέσως μετά τη συγκόλληση, ακόμη σε υψηλή θερμοκρασία, ή ίσως μόλις κατά την ψύξη στην περιοχή της κυανής πυράκτωσης (περίπου στους 300oC). Η ρηγμάτωση είναι σε μεγάλο βαθμό ιδιότητα των ηλεκτροδίων· εμφανίζεται σχεδόν μόνο με επικαλυμμένα ηλεκτρόδια, τέτοια ακριβώς που είναι σημαντικά για τις χαλύβδινες κατασκευές. Για να εμφανιστούν ρωγμές, πρέπει να έχουν συντρέξει δύο προϋποθέσεις, δηλαδή υψηλές τάσεις λόγω της διαδικασίας συγκόλλησης ή άλλων εξωτερικών επιδράσεων, καθώς και αύξηση της ακαμψίας του υλικού.
Εκτός από τις μεταλλουργικές μεταβολές στη σύνθεση και στη δομή του υλικού, σημαντικές είναι και οι φυσικές διεργασίες, οι οποίες σχετίζονται με τις μεγάλες ποσότητες θερμότητας που κατά τη συγκόλληση μεταφέρονται στο υλικό και με τις υψηλές θερμοκρασίες που τότε επιτυγχάνονται. Η θέρμανση δεν γίνεται ομοιόμορφα, αλλά μόνο σε στενά περιορισμένες περιοχές. Η με τη θέρμανση συνδεόμενη θερμική διαστολή εμποδίζεται από την εσωτερική τάση της θερμαινόμενης ζώνης από το αθερμάντο υλικό. Επιπλέον υπάρχει και εξωτερική καταπόνηση, επειδή τα μέρη κατά τη συγκόλληση πρέπει να σφιχτούν γερά, γι’ αυτό κατά τη θέρμανση εμφανίζονται πλαστικές συμπιέσεις. Κατά την ψύξη συρρικνώνεται περισσότερο η ραφή και η περίγυρός της (συρρίκνωση). Κατά την ψύξη, λόγω της παρεμποδιζόμενης επιμήκυνσης, πρέπει να εμφανιστούν αναγκαστικές τάσεις (τάσεις από συρρίκνωση). Με προθέρμανση των μερών που συγκολλώνται στους 200 oC έως 300 oC μπορεί να επιβραδυνθεί σημαντικά η ψύξη. Λόγω της μείωσης της δράσης βαφής επιτυγχάνεται καλύτερη διαμόρφωση της δομής, η σκλήρυνση παραμένει μικρότερη.
Δοκιμή υλικών και συγκολλητικών εργασιών
Γενικά: Εφόσον η ποιότητα των συγκολλημένων εργασιών εξαρτάται από μια σειρά περιστάσεων, και όχι τελευταία από την επιδεξιότητα και την αξιοπιστία του ειδικευμένου εργάτη, απαιτείται ακριβής επίβλεψη και δοκιμή όλων των συγκολλητικών εργασιών. Από τις δοκιμές αναφέρονται εκείνες για τον προσδιορισμό της συγκολλησιμότητας των υλικών και των ηλεκτροδίων, η σύγκριση των συνθηκών συγκόλλησης και των διαδικασιών συγκόλλησης για μια δεδομένη περίπτωση, οι δοκιμές δειγμάτων κ.λπ.
Σχ. 1 - Δοκιμή κάμψης συγκολλημένης ραφής
Δοκιμή κάμψης συγκολλημένης ραφής: Πρόκειται για δοκιμή κάμψης μιας απλής δοκού ορθογωνικής διατομής (σχ. 1), στην οποία μια ημικυκλικά κατεργασμένη διαμήκης αυλάκωση στο εφελκυόμενο ίνωμα επανασυγκολλάται με μία στρώση, και μάλιστα σε θερμοκρασία δωματίου. Η ραφή προκαλεί ισχυρή μείωση της παραμορφωσιμότητας, έτσι ώστε τα δοκίμια συχνά θραύονται εντελώς ψαθυρά και αιφνίδια. Η γωνία κάμψης είναι μεγαλύτερη στις λεπτές πλάκες και μειώνεται με το πάχος της πλάκας.
Αντοχή σε εγκοπή: Κατά τη δοκιμή κάμψης της ραφής, οι ρωγμές εμφανίζονται συνήθως πρώτα στη ραφή, οπότε επέρχεται ψαθυρή θραύση. Το βασικό υλικό πρέπει να είναι σε θέση να παραλάβει το φορτίο που εμφανίζεται απότομα κατά την ψαθυρή ρήξη της ραφής. Πρέπει να απαιτείται η ρωγμή στη ζώνη της συγκόλλησης να μην εξαπλώνεται γρήγορα και μέσα από το βασικό υλικό, αλλά να επιτρέπεται να προχωρεί μόνο αργά. Το βασικό υλικό πρέπει να είναι επαρκώς ανθεκτικό ώστε να παραλάβει αυτό το αιφνίδιο φορτίο και αυτή η ικανότητα πρέπει να διατηρείται σε ικανοποιητικό βαθμό και σε χαμηλές θερμοκρασίες. Η αντοχή σε εγκοπή, όπως και οι άλλες μηχανικές ιδιότητες, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία στην οποία πραγματοποιείται η δοκιμή. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, π.χ. κάτω από 0 oC, μπορεί να πέσει σε μέρος της τιμής στους 20 oC. Η θέση αυτής της απότομης πτώσης είναι σημαντική για την αξιολόγηση ενός υλικού. Για τις συγκολλημένες χαλύβδινες κατασκευές σήμερα απαιτείται υλικό καλής αντοχής στη γήρανση, δηλαδή υψηλή αντοχή σε εγκοπή σε κρούση σε εν ψυχρώ ελκυστικά δοκίμια.
Σχ. 2 - Παραμόρφωση σε καταστάσεις τάσεων εγκοπής
Σκληρότητα: Μεγάλη σημασία έχουν τα φαινόμενα σκληρότητας στη ζώνη συγκόλλησης. Σημαντική είναι η γνώση της αύξησης της σκληρότητας, διότι η επιμήκυνση κατά τη θραύση μειώνεται γρήγορα με την αύξηση της σκληρότητας (σχ. 3), ενώ η αντοχή σε εφελκυσμό σB αυξάνεται σχεδόν αναλογικά με τη σκληρότητα Brinell HB. Για τους δομικούς χάλυβες ισχύει κατά προσέγγιση σB = 0,36*HB. Ένα παράδειγμα σκληρότητας της κύριας γωνιακής ραφής ενός φορέα I φαίνεται στο σχ. 4. Στη μεταβατική ζώνη υπάρχουν σε πολύ μικρές αποστάσεις μεγάλες διαφορές στη σκληρότητα. Η πορεία της σκληρότητας εξαρτάται από τη διαμορφωμένη δομή. Η σ-ε-l γραμμή μεταβάλλεται κατά παρόμοιο τρόπο με τη σκληρότητα όπως και με την τάση της εγκοπής (σχ. 2).
Σχ. 3 - Σκληρότητα Brinell και επιμήκυνση
Σχ. 4 - Σκληρότητες στη ζώνη της συγκόλλησης στον κορμό ενός συγκολλητού δοκού I
Μη καταστροφικός έλεγχος έτοιμων συγκολλημένων συνδέσεων
Διαπερατοσκόπηση – Κατά τη διαπερατοσκόπηση μικρών πάχων, η ακτινογραφική εικόνα μπορεί να καταστεί ορατή σε μία οθόνη. Αντί για ακτίνες Χ μπορούν να χρησιμοποιηθούν ακτίνες γάμμα ραδιενεργών υλικών. Η ακτινογραφική εικόνα επιτρέπει να συναχθεί συμπέρασμα για την ποιότητα της συγκόλλησης. Εγκλείσματα σκωρίας ή πόροι, καθώς και σφάλματα σύνδεσης και ρωγμές, μπορούν έτσι να διαπιστωθούν και, κατά περίπτωση, να απομακρυνθούν.
Μαγνητική σκόνη – Δημιουργείται μαγνητικό πεδίο στο μέρος του χάλυβα που ελέγχεται και τότε τα εφαρμοζόμενα ρινίσματα διατάσσονται σύμφωνα με το πεδίο. Από τυχόν ανωμαλίες στο μαγνητικό πεδίο μπορούν να εντοπιστούν ρωγμές. Η μέθοδος είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική για τον εντοπισμό επιφανειακών ρωγμών, αλλά σχετικά μη ευαίσθητη στις εγκλείσεις σκωρίας και στους πόρους, καθώς και στις ρωγμές που βρίσκονται στο εσωτερικό παχύτερων πλακών.
Δοκιμή με υπερήχους – Οι υπερβραχείς ηχητικοί παλμοί ανακλώνται όχι μόνο στις οριακές επιφάνειες, αλλά και στις εσωτερικές επιφάνειες διαχωρισμού, όπως π.χ. σε ρωγμές ή διπλοποιήσεις.