Основи техніки зварювання
Зварювання — це з’єднання металів однакового або подібного складу під дією тепла з додаванням або без додавання такого самого або подібного металу. За допомогою зварювання частини нероздільно з’єднуються між собою так, що утворюється єдине ціле. Якісне зварювання передбачає щільне з’єднання, яке досягається лише тоді, коли в місці зварювання плавиться й основний матеріал (зона зварного шва).
Електродугове зварювання
Для сталевих конструкцій насамперед розглядають дугове зварювання, під час якого потрібне тепло отримують електричною дугою. Дуга утворюється між основною деталлю та так званим електродом, який при цьому плавиться і дає додатковий матеріал. Правильний вибір додаткового матеріалу (електрода) має найбільший вплив на властивості зварного з’єднання. Електроди вибирають відповідно до характерних міцнісних властивостей основного матеріалу, що зварюється. Вибір електродів, визначення умов зварювання передбачає фахові знання, через що була створена інституція спеціально підготовлених «інженерів-спеціалістів із техніки зварювання», завданням яких, зокрема, є нагляд за зварювальними роботами та періодичне повторення атестацій зварників.
Газове зварювання і різання
Під час газового зварювання потрібна теплота утворюється згорянням газу, так що основний і додатковий матеріал плавляться. Важливішим є різання. Різальний пальник має, крім теплової трубки, яка працює так само, як і під час зварювання, ще одну різа́льну трубку для кисню. Сталь, нагріта полум’ям, пропалюється і продувається струменем кисню. Різання дає гладкі й точні поверхні, достатні для багатьох цілей сталевих конструкцій без подальшої обробки.
Зварюваність
Для оцінювання зварних з’єднань слід брати до уваги, що під час процесу зварювання може істотно змінитися склад присадного, а також основного матеріалу. Велику роль має і зміна структури — між розплавленим швом і незміненим основним матеріалом, залежно від ступеня теплового впливу, є зона різної структури і, відповідно, різних властивостей. Біля шва міститься область, у якій плавився основний матеріал (зона проплавлення) і в якій відбувається з’єднання між зоною зварювання та основним матеріалом. Навколишня зона матеріалу також ще сильно нагрівається, хоча там уже не досягнуто точки плавлення. У цій зоні перегрівання виникають великі зміни структури, так що вона часто є вирішальною для властивостей усього зварного з’єднання.
Тріщинуватість шва означає появу тріщин у шві, які виникають безпосередньо після зварювання ще за високої температури або, можливо, лише під час охолодження в області синього нагріву (приблизно на 300oC). Тріщинуватість значною мірою є властивістю електродів; вона виникає майже лише у покритих електродів, які саме мають велике значення для сталевих конструкцій. Для появи тріщин необхідно, щоб були виконані дві умови, а саме високі напруження внаслідок процесу зварювання або інших зовнішніх причин, а також підвищення крихкості матеріалу.
Крім металургійних змін у складі та структурі матеріалу, важливими є й фізичні процеси, пов’язані з великими кількостями тепла, які під час зварювання підводяться до матеріалу та при цьому досягаються високі температури. Нагрівання відбувається не рівномірно, а лише в вузько обмежених ділянках. Пов’язане з нагріванням теплове розширення стримується внутрішнім напруженням нагрітої зони ненагрітим матеріалом. До цього додається й зовнішнє напруження, оскільки деталі під час зварювання мають бути міцно затиснуті, тому при нагріванні виникають пластичні стискання. Під час охолодження шов і його оточення найбільше зменшуються (усадка). При охолодженні через перешкоджене розтягнення мають виникати примусові напруження (напруження від усадки). Попереднім нагріванням деталей, що зварюються, до 200 oC до 300 oC охолодження можна значно сповільнити. Завдяки зменшенню дії гартування отримується кращий розвиток структури, твердість залишається меншою.
Випробування матеріалів і зварювальних робіт
Загальне: Оскільки якість зварних робіт залежить від низки обставин, а зрештою і від майстерності та надійності фахового працівника, необхідний точний нагляд і випробування всіх зварювальних робіт. Зі випробувань називають ті, що проводяться для визначення придатності до зварювання матеріалів і електродів, порівняння умов зварювання та способів зварювання для конкретного випадку, випробування зразків тощо.
Рис. 1 - Випробування на згин зварного шва
Випробування на згин зварного шва: Це випробування на згин простої балки прямокутного перерізу (рис. 1), на якій напівкругло оброблений поздовжній жолоб у розтягнутому волокні знову зварено одним шаром, причому за кімнатної температури. Шов спричиняє значне зменшення деформівності, тому зразки часто ламаються цілком крихко і раптово. Кут згину у тонких листів більший, він зменшується зі збільшенням товщини листа.
Ударна в’язкість із надрізом: Під час випробування на згин шва здебільшого спочатку з’являються тріщини у шві, так що настає крихке руйнування. Основний матеріал повинен бути здатний сприйняти навантаження, яке раптово виникає під час крихкого розриву шва. Слід вимагати, щоб тріщина в зоні зварного з’єднання не поширювалася швидко й через основний матеріал, а могла просуватися лише повільно. Основний матеріал має бути достатньо в’язким, щоб сприйняти це раптове навантаження, і ця здатність повинна зберігатися в достатній мірі також за низьких температур. Ударна в’язкість із надрізом, як і інші механічні властивості, значною мірою залежать від температури, за якої проводять випробування. За низьких температур, наприклад нижче 0 oC, вона може впасти до частки значення при 20 oC. Положення цього різкого падіння важливе для оцінки матеріалу. Для зварних сталевих конструкцій сьогодні вимагається матеріал із доброю стійкістю до старіння, тобто висока ударна в’язкість із надрізом під час випробування на холодне розтягування.
Рис. 2 - Деформація при напружених станах зарізів
Твердість: Велике значення мають явища твердості в зоні зварювання. Важливе знання зростання твердості, оскільки дилатація при руйнуванні швидко зменшується зі збільшенням твердості (рис. 3), тоді як міцність на розтяг σB зростає майже пропорційно за Брінеллевою твердістю HB. Для будівельних сталей приблизно σB = 0,36*HB. Один приклад твердості головного кутового шва I-подібної балки показано на рис. 4. У перехідній зоні на дуже малих відстанях існують великі відмінності в твердості. Хід твердості залежить від утвореної структури. Лінія σ-ε-l змінюється твердістю подібно до напруженого стану надрізу (рис. 2).
Рис. 3 — Твердість за Брінеллем і подовження
Рис. 4 - Твердість у зоні шва в шийці однієї звареної I-балки
Неруйнівне випробування готових зварних з’єднань
Просвічування – Під час просвічування малих товщин рентгенівське зображення можна зробити видимим на одному екрані. Замість рентгенівських променів можна використовувати гамма-промені радіоактивних матеріалів. Рентгенівське зображення дає змогу робити висновки про якість шва. Включення шлаку або пор, а також дефекти з’єднання і тріщини, можна таким чином виявити й у разі потреби усунути.
Магнітне розсипання – У досліджуваній частині сталі створюють магнітне поле, і тоді нанесені стружки розташовуються відповідно до поля. За можливими нерівностями в магнітному полі можна виявити тріщини. Спосіб особливо ефективний для виявлення поверхневих тріщин, але відносно нечутливий до шлакових включень і пор, а також до тріщин, що містяться всередині товстих листів.
Випробування ультразвуком – Ультракороткі звукові хвилі відбиваються не лише на граничних поверхнях, а й на поверхнях розділу всередині, наприклад, на тріщинах або розшаруваннях.