Podstawy techniki spawania
Spawanie jest łączeniem metali o tym samym lub podobnym składzie pod wpływem ciepła, z dodatkiem lub bez dodatku metalu o tym samym lub podobnym składzie. Za pomocą spawania części łączy się nierozłącznie, tak że powstaje jednolita całość. Dobre spawanie zakłada intymne połączenie, które osiąga się tylko wtedy, gdy w miejscu spawania topi się również materiał podstawowy (strefa wtopienia).
Spawanie łukowe
W przypadku konstrukcji stalowych przede wszystkim bierze się pod uwagę spawanie łukowe, w którym potrzebne ciepło uzyskuje się za pomocą elektrycznego łuku płomiennego. Łuk płomienny powstaje między elementem podstawowym a tzw. elektrodą, która przy tym się topi i dostarcza materiał dodatkowy. Prawidłowy dobór materiału dodatkowego (elektrody) ma największy wpływ na właściwości połączenia spawanego. Elektrody dobiera się według charakterystycznych wytrzymałości materiału podstawowego, który jest spawany. Dobór elektrod, ustalanie warunków spawania wymaga wiedzy fachowej, dlatego stworzono instytucję specjalnie wykształconych „inżynierów specjalistów od techniki spawania”, których zadaniem jest między innymi nadzorowanie prac spawalniczych oraz okresowe odnawianie atestacji spawaczy.
Spawanie i cięcie gazowe
Przy spawaniu gazowym wymagana ilość ciepła powstaje w wyniku spalania gazu, tak że materiał podstawowy i dodatkowy ulegają stopieniu. Ważniejsze jest cięcie. Palnik do cięcia ma oprócz przewodu cieplnego, który działa tak samo jak przy spawaniu, jeszcze jeden przewód tlenowy do cięcia. Stal nagrzana gorącym płomieniem jest przepalana i przedmuchiwane jest przez strumień tlenu. Cięcie daje gładkie i dokładne powierzchnie, wystarczające do wielu zastosowań konstrukcji stalowych bez dalszej obróbki.
Spawalność
Przy ocenie połączeń spawanych należy brać pod uwagę, że podczas procesu spawania może się znacznie zmienić skład materiału dodatkowego, jak i materiału podstawowego. Duże znaczenie ma także zmiana struktury – między stopionym spoiną i niezmienionym materiałem podstawowym występuje, zależnie od stopnia oddziaływania cieplnego, strefa o różnej strukturze, a tym samym o różnych właściwościach. Przy spoinie znajduje się obszar, w którym topił się materiał podstawowy (strefa wtopienia) i w którym następuje połączenie między strefą spawania a materiałem podstawowym. Otaczająca strefa materiału jest również silnie nagrzewana, chociaż nie osiągnięto tam już punktu topnienia. W tej strefie przegrzania występują duże zmiany struktury, tak że często ma ona decydujące znaczenie dla właściwości całego połączenia spawanego.
Pękanie spoiny oznacza pojawienie się rys w spoinie, które powstają bezpośrednio po spawaniu, jeszcze przy wysokiej temperaturze, albo dopiero podczas chłodzenia w zakresie niebieskiego żarzenia (około 300oC). Pękanie jest w dużym stopniu cechą elektrod, pojawia się prawie wyłącznie przy elektrodach otulonych, które są właśnie ważne dla konstrukcji stalowych. Do powstania rys potrzebne są dwa warunki, a mianowicie wysokie naprężenia wynikające z procesu spawania lub innych zewnętrznych czynników, jak również zwiększenie sztywności materiału.
Oprócz zmian metalurgicznych w składzie i strukturze materiału ważne są również procesy fizyczne, które wiążą się z dużymi ilościami ciepła, doprowadzanymi do materiału podczas spawania, oraz osiąganymi przy tym wysokimi temperaturami. Nagrzewanie nie odbywa się równomiernie, lecz tylko w ściśle ograniczonych obszarach. Związane z nagrzewaniem rozszerzalność cieplna jest hamowana przez naprężenia wewnętrzne ogrzanej strefy przez nieogrzany materiał. Dochodzi do tego także naprężenie zewnętrzne, ponieważ części podczas spawania muszą być mocno zamocowane, dlatego podczas nagrzewania pojawiają się plastyczne ściskania. Podczas chłodzenia szew i jego otoczenie kurczą się najsilniej (skurcz). Przy chłodzeniu muszą wskutek uniemożliwionego wydłużania wystąpić naprężenia wymuszone (naprężenia skurczowe). Wstępne nagrzanie części spawanych do 200 oC do 300 oC może znacznie spowolnić chłodzenie. Wskutek zmniejszenia działania hartowania uzyskuje się lepsze ukształtowanie struktury, utwardzenie pozostaje mniejsze.
Badanie materiałów i prac spawalniczych
Ogólnie: Ponieważ jakość prac spawalniczych zależy od szeregu okoliczności, a nie na końcu także od umiejętności i rzetelności pracownika fachowego, konieczny jest dokładny nadzór i badanie wszystkich prac spawalniczych. Wśród badań wymienia się te służące do ustalania zdolności do spawania materiałów i elektrod, porównania warunków spawania i procedur spawalniczych dla danego przypadku, badania próbek itd.
Rys. 1 - Próba zginania spoiny spawanej
Próba na zginanie spoiny spawalniczej: Jest to próba zginania prostej belki o przekroju prostokątnym (rys. 1), na której półokrągło obrobiony podłużny rowek w włóknie rozciąganym jest ponownie spawany jedną warstwą, i to w temperaturze pokojowej. Spoina powoduje silne zmniejszenie odkształcalności, tak że próbki często pękają całkowicie krucho i nagle. Kąt zginania jest w przypadku cienkich płyt większy, a maleje wraz z grubością płyty.
Udarność karbu: Podczas próby zginania spoiny najczęściej najpierw pojawiają się rysy w spoinie, tak że następuje kruche pęknięcie. Materiał podstawowy musi być w stanie przyjąć obciążenie, które pojawia się nagle przy kruchym rozrywaniu spoiny. Należy wymagać, aby rysa w strefie spoiny nie rozprzestrzeniała się szybko również przez materiał podstawowy, lecz aby mogła postępować tylko powoli. Materiał podstawowy musi być dostatecznie udarowy, aby przyjąć to nagłe obciążenie, i ta zdolność musi w wystarczającym stopniu utrzymywać się również w niskich temperaturach. Udarność karbu, jak również inne właściwości mechaniczne, w dużym stopniu zależą od temperatury, w której wykonuje się próbę. W niskich temperaturach, np. poniżej 0 oC, może ona spaść do części wartości przy 20 oC. Położenie tego nagłego spadku jest ważne dla oceny danego materiału. Dla stalowych konstrukcji spawanych wymaga się dziś materiału o dobrej odporności na starzenie, tj. wysokiej udarności karbu przy próbie udarności po chłodnym rozciąganiu.
Rys. 2 - Odkształcenie przy stanach naprężenia w karbie
Twardość: Duże znaczenie mają zjawiska twardości w strefie spawania. Ważna jest znajomość wzrostu twardości, ponieważ wydłużenie przy pęknięciu szybko maleje wraz ze wzrostem twardości (rys. 3), natomiast wytrzymałość na rozciąganie σB rośnie prawie proporcjonalnie do twardości Brinella HB. Dla stali konstrukcyjnych w przybliżeniu σB = 0,36*HB. Jeden przykład twardości głównego spoiny kątowej belki I pokazano na rys. 4. W strefie przejściowej występują na bardzo małych odległościach duże różnice twardości. Przebieg twardości zależy od wytworzonej struktury. Linia σ-ε-l zmienia się podobnie pod wpływem twardości jak i stanu naprężenia karbu (rys. 2).
Rys. 3 - Twardość Brinella i wydłużenie
Rys. 4 - Twardości w strefie spoiny w gardzieli jednego spawanego dwuteownika
Badanie bez niszczenia gotowych połączeń spawanych
Prześwietlanie – Przy prześwietlaniu małych grubości można uczynić obraz rentgenowski widocznym na jednym ekranie. Zamiast promieni rentgenowskich można użyć promieni gamma materiałów radioaktywnych. Obraz rentgenowski pozwala wnioskować o jakości spoiny. Zawarte żużle lub pory, jak również błędy w łączeniu i pęknięcia, można w ten sposób stwierdzić i w danym przypadku usunąć.
Strumień magnetyczny – W badanym fragmencie stali wytwarza się pole magnetyczne, a następnie naniesione opiłki układają się zgodnie z tym polem. Na podstawie ewentualnych nieprawidłowości w polu magnetycznym można wykryć pęknięcia. Metoda jest szczególnie skuteczna przy wykrywaniu pęknięć powierzchniowych, lecz stosunkowo mało czuła na wtrącenia żużla i pory, jak również na pęknięcia znajdujące się wewnątrz grubszych płyt.
Badanie ultradźwiękowe – Ultradźwiękowe fale dźwiękowe odbijają się nie tylko na powierzchniach granicznych, lecz także na powierzchniach rozdziału we wnętrzu, jak np. na pęknięciach lub rozwarstwieniach.