Osnove tehnike varjenja
Varjenje je spajanje kovin enake ali podobne sestave pod vplivom toplote, z dodatkom iste ali podobne kovine ali brez njega. S pomočjo varjenja se deli neločljivo medsebojno povežejo, tako da nastane enotna celota. Dobra zvarjenost predpostavlja tesen spoj, ki se doseže le tedaj, če se na mestu varjenja tali tudi osnovni material (cona zvara).
Obločno varjenje
Za jeklene konstrukcije pride v prvi vrsti v poštev obločno varjenje, pri katerem se potrebna toplota dobi z električnim plamenom. Plamen nastane med osnovnim kosom in t. i. elektrodo, ki se pri tem tali in daje dodajni material. Pravilna izbira dodajnega materiala (elektrode) ima največji vpliv na lastnosti zvarjenega spoja. Elektrode se izbirajo glede na značilne trdnosti osnovnega materiala, ki se vari. Izbira elektrod, določitev pogojev varjenja predpostavlja strokovno znanje, zato je nastal institut posebej izobraženih “inženirjev specialistov za tehniko varjenja”, katerih naloga je med drugim nadzorovati varilna dela in redno ponavljati atestacije varilcev.
Plinsko varjenje in rezanje
Pri plinskem varjenju se potrebna toplota proizvaja s sežiganjem plina, tako da se osnovni in dodajni material stopita. Pomembnejše je rezanje. Rezalni gorilnik ima poleg toplotne cevi, ki deluje enako kot pri varjenju, še eno rezalno cev za kisik. Z vročim plamenom segreto jeklo se prežge in izpiha s curkom kisika. Rezanje daje gladke in natančne površine, ki zadoščajo za številne namene jeklenih konstrukcij brez nadaljnje obdelave.
Zvarljivost
Pri ocenjevanju zvarnih spojev je treba upoštevati, da se lahko med samim postopkom varjenja bistveno spremeni sestava dodajnega in tudi osnovnega materiala. Velik pomen ima tudi sprememba strukture – med staljenim zvarom in nespremenjenim osnovnim materialom je glede na stopnjo toplotnega vpliva območje različne strukture in zato tudi različnih lastnosti. Ob zvaru je področje, v katerem se je osnovni material talil (območje taljenja) in v katerem poteka spojitev med zvarnim območjem in osnovnim materialom. Obdajajoče območje materiala je prav tako še močno segreto, čeprav tam tališče ni več doseženo. V tem območju pregretja se pojavljajo velike spremembe strukture, tako da je pogosto odločilno za lastnosti celotnega zvarnega spoja.
Pokanje zvara pomeni pojav razpok v zvaru, ki nastanejo neposredno po varjenju še pri visoki temperaturi ali morda šele pri ohlajanju v območju modrega žarenja (pri približno 300oC). Pokanje je v veliki meri lastnost elektrod; pojavlja se skoraj samo pri obloženih elektrodah, kakršne so prav pomembne za jeklene konstrukcije. Za nastanek razpok morata biti izpolnjena dva pogoja, in sicer visoke napetosti zaradi postopka varjenja ali drugih zunanjih vzrokov ter povečanje togosti materiala.
Poleg metalurških sprememb v sestavi in strukturi materiala so pomembni tudi fizikalni procesi, ki so povezani z velikimi količinami toplote, ki se pri varjenju dovajajo materialu, in pri tem doseženimi visokimi temperaturami. Segrevanje ne poteka enakomerno, temveč le v ozko omejenih območjih. S segrevanjem povezana toplotna dilatacija je preprečena z notranjo napetostjo segrete cone zaradi nezagretega materiala. Poleg tega nastane tudi zunanja obremenitev, ker je treba dele pri varjenju močno vpeti, zato se pri segrevanju pojavljajo plastična stiskanja. Med hlajenjem se zvar in njegova okolica najbolj skrčita (krčenje). Pri hlajenju morajo zaradi preprečenega raztezanja nastati prisilne napetosti (napetosti zaradi krčenja). S predhodnim segrevanjem delov, ki se varijo, na 200 oC do 300 oC je mogoče hlajenje občutno upočasniti. Zaradi zmanjšanja učinka kaljenja se doseže boljša tvorba strukture, utrjevanje pa ostane manjše.
Preizkušanje materialov in varilnih del
Splošno: Ker kakovost varilnih del zavisi od vrste okoliščin, in nenazadnje tudi od spretnosti in zanesljivosti strokovnega delavca, je potrebno natančno nadziranje in preizkušanje vseh varilnih del. Med preizkusi se navajajo tisti za ugotavljanje varivosti materialov in elektrod, primerjavo pogojev za varjenje in postopkov varjenja za posamezen dani primer, preizkusi vzorcev itd.
Sl. 1 - Preskus upogiba zvarnega šiva
Preizkus na upogib zvarnega spoja: To je preizkus na upogib preprostega nosilca pravokotnega prereza (sl. 1), na katerem je polkrožno obdelan vzdolžni utor v nateznem vlaknu ponovno zvarjen z eno plastjo, in sicer pri sobni temperaturi. Zvar povzroči močno zmanjšanje deformabilnosti, tako da se preizkušanci pogosto zlomijo povsem krhko in nenadno. Kot upogiba je pri tankih ploščah večji, z večanjem debeline plošče pa se zmanjšuje.
Utrdnost pri zarezi: Pri preizkusu upogibanja zvara se večinoma najprej pojavijo razpoke v zvaru, tako da nastopi krhek lom. Osnovni material mora biti sposoben prevzeti obremenitev, ki se pojavi nenadno pri krhkem razpokanju zvara. Zahtevati je treba, da se razpoka v območju zvara ne širi hitro tudi skozi osnovni material, temveč da se lahko razpoka napreduje le počasi. Osnovni material mora biti dovolj žilav, da prevzame to nenadno obremenitev, in ta sposobnost mora v zadostni meri ostati tudi pri nizkih temperaturah. Utrdnost pri zarezi kot tudi druge mehanske lastnosti so v veliki meri odvisne od temperature, pri kateri se izvaja preizkus. Pri nizkih temperaturah, npr. pod 0 oC, lahko pade na del vrednosti pri 20 oC. Položaj tega nenadnega padca je pomemben za oceno nekega materiala. Za varjene jeklene konstrukcije se danes zahteva material dobre odpornosti proti staranju, tj. visoka zarezna žilavost pri udarnem preizkusu na hladno raztegnjenih vzorcih.
Sl. 2 - Deformacija pri napetostnih stanjih zareze
Trdota: Velik pomen imajo pojavi trdote v zvarnem območju. Pomembno je poznavanje porasta trdote, ker raztezek pri lomu hitro upada z večanjem trdote (sl. 3), medtem ko se natezna trdnost σB zvišuje skoraj sorazmerno z Brinellovo trdoto HB. Za gradbene jekle velja približno σB = 0,36*HB. En primer trdote glavnega kotnega vara I-nosilca je prikazan na sl. 4. V prehodnem območju obstajajo na zelo majhnih razdaljah velike razlike v trdoti. Potek trdote je odvisen od oblikovane strukture. σ-ε-l krivulja se podobno spreminja s trdoto kot tudi napetostno stanje zareze (sl. 2).
Sl. 3 - Brinellova trdota in raztezek
Sl. 4 - Trdote v območju vara v vratu enega zvarjenega I-nosilca
Neporušitveno preskušanje gotovih varjenih spojev
Presevnost – Pri presevnosti pri majhnih debelinah je mogoče rentgensko sliko narediti vidno na enem zaslonu. Namesto rentgenskih žarkov se lahko uporabljajo gama žarki radioaktivnih snovi. Rentgenska slika omogoča sklepanje o kakovosti zvara. Vključke žlindre ali pore ter napake v spoju in razpoke je tako mogoče ugotoviti in po potrebi odpraviti.
Magnetno pretakanje – V delu jekla, ki ga preizkušamo, se vzpostavi magnetno polje, nato pa se naneseni opilki razporedijo po polju. Iz morebitnih nepravilnosti v magnetnem polju je mogoče odkriti razpoke. Postopek je zlasti učinkovit pri iskanju površinskih razpok, vendar razmeroma neobčutljiv za vključke žlindre in pore, pa tudi za razpoke v notranjosti debelejših plošč.
Preskušanje z ultrazvokom – Ultrakratki zvočni valovi se odbijajo ne le na mejnih ploskvah, temveč tudi na ločilnih ploskvah v notranjosti, npr. na razpokah ali dvojitvah.