Bazele tehnicii sudării
Sudarea este îmbinarea metalelor de aceeași compoziție sau de compoziție similară sub acțiunea căldurii, cu sau fără adaos de metal de aceeași compoziție sau similar. Prin sudare, piesele sunt legate inseparabil între ele, astfel încât rezultă un tot unitar. O sudură bună presupune o legătură intimă, care se obține numai dacă la locul sudării se topește și materialul de bază (zona de îmbinare).
Sudare cu arc electric
Pentru construcțiile din oțel intră în primul rând în discuție sudarea cu arc electric, la care căldura necesară se obține printr-un arc electric. Arcul se formează între piesa de bază și așa-numita electrodă, care în acest proces se topește și furnizează materialul de adaos. Alegerea corectă a materialului de adaos (electrodului) are cea mai mare influență asupra proprietăților îmbinării sudate. Electrozii se aleg în funcție de rezistențele caracteristice ale materialului de bază care se sudează. Alegerea electrozilor și stabilirea condițiilor de sudare presupun cunoștințe de specialitate, motiv pentru care a fost creată instituția „inginerilor specialiști în tehnica sudării”, special pregătiți, al căror rol este, printre altele, să supravegheze lucrările de sudare și să efectueze în mod regulat reatestările sudorilor.
Sudare și tăiere cu gaz
La sudarea cu gaz, căldura necesară se produce prin arderea gazului, astfel încât materialul de bază și materialul suplimentar ajung la topire. Mai importantă este tăierea. Arzătorul de tăiere are, pe lângă tubul de căldură, care funcționează la fel ca la sudare, încă un tub de tăiere pentru oxigen. Oțelul încălzit cu flacăra fierbinte este perforat și suflat de jetul de oxigen. Tăierea oferă suprafețe netede și precise, suficiente pentru multe scopuri ale construcțiilor din oțel, fără prelucrare ulterioară.
Sudabilitate
La aprecierea îmbinărilor sudate trebuie avut în vedere că, în timpul procesului de sudare, compoziția materialului de adaos, precum și a materialului de bază, se poate modifica considerabil. O mare importanță are și modificarea structurii – între cordonul topit și materialul de bază neschimbat există, în funcție de gradul de acțiune termică, o zonă cu structură diferită și, prin urmare, cu proprietăți diferite. Lângă cordon se află zona în care s-a topit materialul de bază (zona de topire) și în care se realizează îmbinarea dintre zona de sudare și materialul de bază. Zona învecinată a materialului este, de asemenea, puternic încălzită, deși aici nu mai este atins punctul de topire. În această zonă de supraîncălzire apar modificări structurale importante, astfel încât ea este adesea decisivă pentru proprietățile întregii îmbinări sudate.
Fisurarea cordonului de sudură înseamnă apariția unor crăpături în cordon, care se formează imediat după sudare, încă la temperatură ridicată, sau poate abia la răcire, în zona incandescenței albastre (în jur de 300°C). Fisurarea este într-o mare măsură o caracteristică a electrozilor; ea apare aproape numai la electrozii înveliți, tocmai de tipul celor importanți pentru construcțiile din oțel. Pentru apariția crăpăturilor trebuie îndeplinite două condiții, și anume tensiuni mari datorate procesului de sudare sau altor solicitări exterioare, precum și creșterea rigidității materialului.
Pe lângă schimbările metalurgice în compoziția și structura materialului, importante sunt și procesele fizice, care sunt legate de cantitățile mari de căldură introduse materialului la sudare și de temperaturile înalte atinse în acest proces. Încălzirea nu se face uniform, ci numai în zone strict delimitate. Dilatarea termică asociată încălzirii este împiedicată de solicitarea internă a zonei încălzite de către materialul neîncălzit. La aceasta se adaugă și solicitarea externă, deoarece piesele trebuie strânse ferm în timpul sudării, de aceea la încălzire apar comprimări plastice. La răcire, cordonul de sudură și zona din jurul lui se contractă cel mai puternic (contracție). La răcire trebuie să apară, din cauza împiedicării alungirii, tensiuni de constrângere (tensiuni de contracție). Prin încălzirea prealabilă a pieselor care se sudează la 200 oC până la 300 oC, răcirea poate fi încetinită considerabil. Datorită reducerii efectului de călire se obține o formare mai bună a structurii, iar întărirea rămâne mai redusă.
Încercarea materialelor și a lucrărilor de sudură
General: Deoarece calitatea lucrărilor de sudare depinde de o serie de împrejurări și, nu în ultimul rând, de îndemânarea și fiabilitatea lucrătorului de specialitate, este necesară supravegherea și verificarea exactă a tuturor lucrărilor de sudare. Dintre încercări se menționează cele pentru determinarea capacității de sudare a materialelor și electrozilor, compararea condițiilor de sudare și a procedeelor de sudare pentru un caz dat, încercări pe probe etc.
Fig. 1 - Încercarea la îndoire a cusăturii sudate
Încercarea la îndoire a cordonului de sudură: Este încercarea la îndoire a unei grinzi simple cu secțiune dreptunghiulară (fig. 1), pe care un șanț longitudinal prelucrat semicircular în fibra întinsă a fost resudat din nou cu un singur strat, și aceasta la temperatura camerei. Cordonul provoacă o reducere puternică a deformabilității, astfel încât probele se rup adesea complet fragil și brusc. Unghiul de îndoire este mai mare la plăcile subțiri și scade odată cu grosimea plăcii.
Tenacitatea la crestătură: La încercarea de îndoire a cordonului apar, în majoritatea cazurilor, mai întâi fisuri în cordon, astfel încât are loc o rupere fragilă. Materialul de bază trebuie să fie în stare să preia solicitarea care apare brusc la fisurarea fragilă a cordonului. Trebuie impus ca fisura din zona sudurii să nu se răspândească rapid și prin materialul de bază, ci să poată avansa numai lent. Materialul de bază trebuie să fie suficient de tenace pentru a prelua această solicitare bruscă și această capacitate trebuie să se păstreze într-o măsură suficientă și la temperaturi scăzute. Tenacitatea la crestătură, ca și celelalte proprietăți mecanice, depinde în mare măsură de temperatura la care se efectuează încercarea. La temperaturi scăzute, de exemplu sub 0 °C, ea poate coborî la o fracțiune din valoarea de la 20 °C. Poziția acestei scăderi bruște este importantă pentru aprecierea unui material. Pentru construcțiile din oțel sudate se cere astăzi un material cu bună rezistență la îmbătrânire, adică o reziliență ridicată la lovire cu crestătură, la probe întinse la rece.
Fig. 2 - Deformarea în cazul stărilor de tensiune la crestături
Duritatea: Fenomenele de duritate din zona de sudare au o importanță mare. Este important să se cunoască creșterea durității, deoarece dilatarea la rupere scade rapid odată cu creșterea durității (fig. 3), în timp ce rezistența la tracțiune σB crește aproape proporțional cu duritatea Brinell HB. Pentru oțelurile de construcții este aproximativ σB = 0,36*HB. Un exemplu de duritate al cordonului principal de colț al unei grinzi I este prezentat în fig. 4. În zona de tranziție există, la distanțe foarte mici, diferențe mari de duritate. Evoluția durității depinde de structura formată. Linia σ-ε-l se modifică în mod similar prin duritate, precum și prin starea de tensiune a crestăturii (fig. 2).
Fig. 3 - Duritatea Brinell și alungirea
Fig. 4 - Durități în zona sudurii la gâtul unei grinzi I sudate
Încercarea nedistructivă a îmbinărilor sudate finite
Radiografiere – La radiografierea unor grosimi mici, imaginea radiografică poate fi făcută vizibilă pe un singur ecran. În locul razelor X se pot folosi raze gamma ale materialelor radioactive. Imaginea radiografică permite deducerea calității cordonului de sudură. Incluziunile de zgură sau porii, precum și defectele de legătură și fisurile, pot fi astfel depistate și, după caz, înlăturate.
Flux magnetic – Se induce un câmp magnetic în partea din oțel care se testează, iar pilitura aplicată se distribuie după câmp. Din eventualele neregularități ale câmpului magnetic se pot detecta fisurile. Procedeul este eficient mai ales pentru depistarea fisurilor de suprafață, dar relativ insensibil la incluziunile de zgură și pori, precum și la fisurile aflate în interiorul plăcilor mai groase.
Încercarea cu ultrasunete – Undele sonore ultracurte se reflectă nu numai pe suprafețele de limită, ci și pe suprafețele de separație din interior, de exemplu la fisuri sau la separări.