Podstawowe zasady spawania

Spoina może być zdefiniowana jako koalescencja metali wytwarzanych przez ogrzewanie do odpowiedniej temperatury z lub bez przyłożenia ciśnienia oraz z lub bez użycia materiału wypełniającego.

Podczas spawania źródło ciepła wytwarza wystarczającą ilość ciepła do wytworzenia i utrzymania roztopionej puli metalu o wymaganej wielkości. Ciepło może być dostarczane przez prąd elektryczny lub płomień gazowy. Spawanie opornością elektryczną można uznać za zgrzewanie stopione, ponieważ powstaje pewien stopiony metal.

Procesy w fazie stałej wytwarzają spoiny bez stopienia materiału podstawowego i bez dodatku metalu wypełniającego. Zawsze stosuje się ciśnienie i generalnie zapewnia się trochę ciepła. Ciepło tarcia powstaje podczas łączenia ultradźwiękowego i ciernego, a ogrzewanie pieca jest zwykle stosowane w wiązaniu dyfuzyjnym.

Łuk elektryczny stosowany do spawania jest wysokoprądowym, niskonapięciowym rozładowaniem, zwykle w zakresie 10–2000 amperów przy 10–50 woltów. Kolumna łukowa jest złożona, ale ogólnie mówiąc, składa się z katody, która emituje elektrony, plazmy gazowej do przewodzenia prądu oraz obszaru anodowego, który staje się stosunkowo gorętszy niż katoda z powodu bombardowania elektronami. Zwykle stosuje się łuk prądu stałego (DC), ale można zastosować łuki prądu przemiennego.

Całkowity wkład energii we wszystkich procesach spawania przekracza ilość wymaganą do wytworzenia złącza, ponieważ nie wszystkie wytworzone ciepło można skutecznie wykorzystać. Wydajności wahają się od 60 do 90 procent, w zależności od procesu; niektóre specjalne procesy znacznie odbiegają od tej liczby. Ciepło jest tracone przez przewodzenie przez metal podstawowy i promieniowanie do otoczenia.

Większość metali po podgrzaniu reaguje z atmosferą lub innymi metalami w pobliżu. Reakcje te mogą być wyjątkowo szkodliwe dla właściwości złącza spawanego. Na przykład większość metali szybko się utlenia po stopieniu. Warstwa tlenku może uniemożliwić prawidłowe wiązanie metalu. Kropelki stopionego metalu pokryte tlenkiem zostają uwięzione w spoinie i powodują kruchość połączenia. Niektóre cenne materiały dodane do określonych właściwości reagują tak szybko po wystawieniu na działanie powietrza, że ​​osadzony metal nie ma takiego samego składu, jak na początku. Problemy te doprowadziły do ​​zastosowania topników i atmosfery obojętnej.

W spawaniu termojądrowym topnik pełni rolę ochronną, ułatwiając kontrolowaną reakcję metalu, a następnie zapobiegając utlenianiu przez utworzenie koca na stopionym materiale. Topniki mogą być aktywne i pomagać w procesie lub nieaktywne i po prostu chronić powierzchnie podczas łączenia.

Atmosfery obojętne odgrywają ochronną rolę podobną do topników. W spawanym łukiem metalowym i spawanym łukiem wolframowym gaz obojętny – zwykle argon – wypływa z pierścienia otaczającego pochodnię ciągłym strumieniem, wypierając powietrze z łuku. Gaz nie reaguje chemicznie z metalem, ale po prostu chroni go przed kontaktem z tlenem w powietrzu.

Metalurgia łączenia metali jest ważna dla możliwości funkcjonalnych złącza. Spoina łukowa ilustruje wszystkie podstawowe cechy złącza. Trzy strefy wynikają z przejścia łuku spawalniczego: (1) metal spoiny lub strefa topienia, (2) strefa wpływu ciepła i (3) strefa nienaruszona. Spoina to ta część złącza, która została stopiona podczas spawania. Strefa wpływu ciepła to obszar przylegający do metalu spoiny, który nie został spawany, ale uległ zmianie mikrostruktury lub właściwości mechanicznych z powodu ciepła spawania. Nie dotyczy to materiału, który nie został wystarczająco podgrzany, aby zmienić jego właściwości.

Skład spoiny i warunki, w których zamarza (zestala się) znacząco wpływają na zdolność złącza do spełnienia wymagań serwisowych. W spawaniu łukowym metal spoiny zawiera materiał wypełniający oraz stopiony metal bazowy. Po przejściu łuku następuje szybkie schłodzenie metalu spoiny. Jednoprzebiegowa spoina ma odlewaną strukturę z ziarnami kolumnowymi rozciągającymi się od krawędzi roztopionego jeziorka do środka spoiny. W spawaniu wieloprzebiegowym ta odlewana struktura może być modyfikowana, w zależności od konkretnego spawanego metalu.

Metal nieszlachetny przylegający do spoiny lub strefy wpływu ciepła poddawany jest szeregowi cykli temperatur, a jego zmiana struktury jest bezpośrednio związana z temperaturą szczytową w dowolnym punkcie, czasie ekspozycji i szybkościami chłodzenia . Rodzaje metali nieszlachetnych są zbyt liczne, aby je tutaj omawiać, ale można je pogrupować w trzy klasy: (1) materiały, na które nie ma wpływu ciepło spawania, (2) materiały utwardzone przez zmianę strukturalną, (3) materiały utwardzone przez procesy strącania.

Spawanie powoduje naprężenia w materiałach. Siły te są indukowane przez kurczenie się spoiny, a także przez rozszerzanie, a następnie kurczenie strefy wpływu ciepła. Nieogrzewany metal nakłada ograniczenie na powyższe, a ponieważ dominuje skurcz, spawany metal nie może się swobodnie kurczyć, a w stawie powstaje naprężenie. Jest to ogólnie znane jako naprężenie szczątkowe i dla niektórych krytycznych zastosowań musi zostać usunięte przez obróbkę cieplną całej produkcji. Naprężenie szczątkowe jest nieuniknione we wszystkich spawanych konstrukcjach, a jeśli nie jest kontrolowane, nastąpi zgięcie lub odkształcenie spawu. Kontrola odbywa się za pomocą techniki spawalniczej, przyrządów i osprzętu, procedur produkcyjnych i końcowej obróbki cieplnej.

Istnieje szeroki zakres procesów spawalniczych. Kilka najważniejszych omówiono poniżej.