יסודות טכניקת הריתוך
ריתוך הוא חיבור של מתכות מאותו הרכב או מהרכב דומה תחת השפעת חום, עם או בלי הוספת מתכת זהה או דומה. באמצעות ריתוך החלקים מקושרים זה לזה באופן בלתי ניתן להפרדה כך שנוצרת שלמות אחת. ריתוך טוב מחייב חיבור אינטימי, שמושג רק אם גם חומר הבסיס ניתך במקום הריתוך (אזור התפר).
ריתוך קשת חשמלית
עבור מבני פלדה נלקחת בראש ובראשונה בחשבון ריתוך קשת חשמלית, שבו מתקבלת החום הדרוש באמצעות קשת חשמלית. קשת הלהבה נוצרת בין החלק הבסיסי לבין האלקטרודה, אשר באותו זמן נמסה ומספקת חומר נוסף. לבחירה הנכונה של החומר הנוסף (האלקטרודה) יש השפעה מרבית על תכונות החיבור המרותך. האלקטרודות נבחרות בהתאם לחוזקים האופייניים של החומר הבסיסי הנריתך. בחירת האלקטרודות וקביעת תנאי הריתוך מחייבות ידע מקצועי, ולכן נוצר המוסד של “מהנדסים מומחים לטכניקת ריתוך” שהוכשרו במיוחד, שתפקידם, בין היתר, לפקח על עבודות הריתוך ולחדש באופן סדיר את ההסמכות של הרתכים.
ריתוך וחיתוך בגז
בריתוך גזי מופקת החום הדרוש באמצעות שרפת הגז, כך שהחומר הבסיסי והחומר הנוסף מגיעים להתכה. חשוב יותר הוא חיתוך. ל־מבער החיתוך יש, נוסף על צינור החום, הפועל כמו בריתוך, גם צינור חיתוך נוסף לחמצן. הפלדה, שחוממה בלהבה חמה, נשרפת וננשפת בזרם חמצן. החיתוך נותן משטחים חלקים ומדויקים, המספיקים למטרות רבות של מבני פלדה ללא עיבוד נוסף.
רתיכות
לצורך הערכת חיבורים מרותכים יש להביא בחשבון כי במהלך תהליך הריתוך עשוי הרכב חומר התוספת, וכן חומר הבסיס, להשתנות במידה ניכרת. חשיבות רבה יש גם לשינוי במבנה – בין התפר המותך לבין חומר הבסיס הבלתי־משתנה יש, בהתאם למידת ההשפעה התרמית, אזור במבנה שונה ובהתאם לכך בעל תכונות שונות. לצד התפר נמצא האזור שבו נמס חומר הבסיס (אזור ההיתוך), ושבו מתבצע החיבור בין אזור הריתוך לבין חומר הבסיס. גם אזור החומר הסמוך מחומם מאוד, אף על פי שכבר לא הושגה בו נקודת ההתכה. באזור זה של ההתחממות־יתר מתרחשים שינויים גדולים במבנה, ולכן הוא לעיתים קרובות מכריע עבור תכונותיו של כל החיבור המרותך.
סדיקות בתפר פירושן הופעת סדקים בתפר, הנוצרים מיד לאחר הריתוך, עוד בטמפרטורה גבוהה, או אולי רק בעת הקירור בתחום ההטלה הכחולה (כ־300oC). הסדיקה היא במידה רבה תכונה של האלקטרודות, והיא מופיעה כמעט רק באלקטרודות מצופות, שהן דווקא חשובות למבני פלדה. להיווצרות הסדקים דרושים שני תנאים, כלומר מאמצים גבוהים עקב תהליך הריתוך או גורמים חיצוניים אחרים, וכן עלייה בקשיחות החומר.
מלבד שינויים מטלורגיים בהרכב ובמבנה החומר, חשובים גם תהליכים פיזיקליים, הקשורים לכמויות חום גדולות, המועברות לחומר בעת הריתוך ובטמפרטורות הגבוהות המושגות אז. החימום אינו מתבצע באופן אחיד, אלא רק באזורים מוגבלים מאוד. ההתפשטות התרמית הקשורה לחימום מונעת על ידי המאמצים הפנימיים של האזור המחומם מצד החומר שאינו מחומם. לכך נוסף גם מאמץ חיצוני, משום שיש להדק היטב את החלקים בעת הריתוך, ולכן בעת החימום נוצרות לחיצות פלסטיות. בעת הקירור התפר וסביבתו מתכווצים בעוצמה הרבה ביותר (התכווצות). בקירור חייבים להיווצר מאמצי כפייה (מאמצי התכווצות) עקב מניעת ההתארכות. על ידי חימום מוקדם של החלקים המרותכים ל־200 oC עד 300 oC ניתן להאט במידה ניכרת את הקירור. עקב הפחתת השפעת ההקשיה מתקבלת היווצרות טובה יותר של המבנה, וההתקשחות נותרת נמוכה יותר.
בדיקת חומרים ועבודות ריתוך
כללי: מאחר שאיכות עבודות הריתוך תלויה בשורה של נסיבות, ולא פחות מכך במיומנות ובאמינות של העובד המקצועי, יש צורך בפיקוח מדויק ובבדיקה של כל עבודות הריתוך. מן הבדיקות נמנות אלה לקביעת כושר הריתוך של חומרים ואלקטרודות, השוואת תנאי הריתוך ותהליכי הריתוך במקרה נתון, בדיקות דוגמאות וכו’.
איור 1 - ניסיון כיפוף של ריתוך
ניסוי כפיפה של תפר מרותך: זהו ניסוי כפיפה של קורה פשוטה בעלת חתך מלבני (איור 1), שבה חריץ אורכי שעובד בחצי-עיגול בסיב המתוח נרתך מחדש בשכבה אחת, וזאת בטמפרטורת החדר. התפר גורם לירידה חדה ביכולת העיוות, ולכן הניסויים נשברים לעיתים קרובות באופן פריך ופתאומי לחלוטין. זווית הכיפוף בלוחות דקים גדולה יותר, והיא קטנה עם עובי הלוח.
עמידות בחריץ: בבדיקת כיפוף של התפר מופיעים ברוב המקרים סדקים תחילה בתפר עצמו, כך שמתרחשת שבירה פריכה. חומר הבסיס חייב להיות מסוגל לקלוט את העומס הנוצר בפתאומיות בעת התבקעותו הפריכה של התפר. יש לדרוש שהסדק באזור הריתוך לא יתפשט במהירות אל תוך חומר הבסיס, אלא שהסדק יוכל להתקדם באיטיות בלבד. חומר הבסיס חייב להיות קשיח דיו כדי לקלוט עומס פתאומי זה, ויכולת זו חייבת להישמר במידה מספקת גם בטמפרטורות נמוכות. עמידות בחריץ, כמו גם תכונות מכניות אחרות, תלויות במידה רבה בטמפרטורה שבה מתבצעת הבדיקה. בטמפרטורות נמוכות, למשל מתחת ל-0 oC, היא עשויה לרדת לחלק מהערך ב-20 oC. מיקומה של ירידה פתאומית זו חשוב להערכתו של חומר כלשהו. עבור מבני פלדה מרותכים נדרש כיום חומר בעל עמידות טובה להזדקנות, כלומר חוזק חריץ גבוה בבדיקת מכה על דגימות שהתארכו בקור.
איור 2 - עיוות במצבי מאמץ של חריץ
קשיות: לתופעות הקשיות באזור הריתוך יש חשיבות רבה. חשוב להכיר את עליית הקשיות, משום שההתארכות בעת השבר פוחתת במהירות עם העלייה בקשיות (איור 3), בעוד שחוזק המתיחה σB עולה כמעט פרופורציונית לקשיות ברינל HB. עבור פלדות בניין בקירוב σB = 0,36*HB. דוגמה אחת לקשיות של תפר הפינה הראשי של קורת I מוצגת באיור 4. באזור המעבר קיימים הבדלים גדולים בקשיות במרחקים קטנים מאוד. מהלך הקשיות תלוי במבנה שנוצר. קו σ-ε-l משתנה באופן דומה עם הקשיות כמו גם עם מצב המאמצים של החריץ (איור 2).
איור 3 - קשיות ברינל והתארכות
איור 4 - קשיות באזור הריתוך בצוואר של קורת I מרותכת
בדיקות בלתי הורסות של חיבורים מרותכים גמורים
רדיו־גרפיה – בעת רדיו־גרפיה של עוביים קטנים אפשר להציג את תמונת הרנטגן על גבי מסך אחד. במקום קרני רנטגן ניתן להשתמש בקרני גמא של חומרים רדיואקטיביים. תמונת הרנטגן מאפשרת להסיק על איכות הריתוך. סיגי הכללה או נקבוביות, וכן פגמים בהיקשרות וסדקים, ניתן לקבוע כך ובמידת הצורך להסיר.
זרימה מגנטית – יוצרים שדה מגנטי באותו חלק של הפלדה הנבדק, ואז שבבי המתכת המפוזרים מסתדרים בהתאם לשדה. מתוך אי־סדירויות אפשריות בשדה המגנטי ניתן לגלות סדקים. השיטה יעילה במיוחד למציאת סדקי שטח, אך רגישה יחסית מעט לכלילות סיגים ולנקבוביות, וכן לסדקים המצויים בפנים של לוחות עבים יותר.
בדיקת אולטרסאונד – גלי קול קצרים במיוחד מוחזרים לא רק על משטחי הגבול, אלא גם על משטחי הפרדה בתוך החומר, כגון סדקים או התפלגויות.