Основни принципи на заваряване

Заваръчният шев може да се дефинира като сливане на метали, получени чрез нагряване до подходяща температура със или без прилагане на налягане и със или без използването на добавъчен материал.

При заваряване чрез стопяване източникът на топлина генерира достатъчно топлина, за да създаде и поддържа резервоар от разтопен метал с необходимия размер. Топлината може да се доставя от електричество или от газов пламък. Електрическото съпротивително заваряване може да се счита за заваряване чрез стопяване, тъй като се образува малко разтопен метал.

---

Твърдофазните процеси произвеждат заварки без разтопяване на основния материал и без добавяне на допълнителен метал. Винаги се използва налягане и обикновено се осигурява малко топлина. Топлината на триене се развива при ултразвуково и фрикционно свързване, а нагряването в пещ обикновено се използва при дифузионно свързване.

Електрическата дъга, използвана при заваряване, е разряд с висок ток и ниско напрежение обикновено в диапазона 10–2000 ампера при 10–50 волта. Дъговата колона е сложна, но най-общо казано се състои от катод, който излъчва електрони, газова плазма за провеждане на ток и анодна област, която става сравнително по-гореща от катода поради електронно бомбардиране. Обикновено се използва дъга с постоянен ток (DC), но могат да се използват дъги с променлив ток (AC).

Общата вложена енергия при всички процеси на заваряване надвишава необходимата за получаване на съединение, тъй като не цялата генерирана топлина може да бъде ефективно използвана. Ефективността варира от 60 до 90 процента, в зависимост от процеса; някои специални процеси се отклоняват значително от тази цифра. Топлината се губи чрез проводимост през основния метал и чрез излъчване към околната среда.

Повечето метали, когато се нагреят, реагират с атмосферата или други близки метали. Тези реакции могат да бъдат изключително вредни за свойствата на заварената връзка. Повечето метали, например, бързо се окисляват, когато се стопят. Слоят от оксид може да попречи на правилното свързване на метала. Капките разтопен метал, покрити с оксид, се улавят в заваръчния шев и правят съединението крехко. Някои ценни материали, добавени за специфични свойства, реагират толкова бързо при излагане на въздух, че отложеният метал няма същия състав, както първоначално. Тези проблеми са довели до използването на потоци и инертни атмосфери.

При заваряване чрез стопяване флюсът има защитна роля като улеснява контролирана реакция на метала и след това предотвратява окисляването чрез образуване на покритие върху разтопения материал. Флюсовете могат да бъдат активни и да помагат в процеса или неактивни и просто да предпазват повърхностите по време на съединяване.

Инертните атмосфери играят защитна роля, подобна на тази на потоците. При електродъгово заваряване с газова защита и волфрамова дъга инертен газ - обикновено аргон - протича от пръстеновидно пространство около горелката в непрекъснат поток, измествайки въздуха около дъгата. Газът не реагира химически с метала, а просто го предпазва от контакт с кислорода във въздуха.

Металургията на металосъединяването е важна за функционалните възможности на съединението. Дъговата заварка илюстрира всички основни характеристики на съединението. Три зони са резултат от преминаването на заваръчна дъга: (1) заваръчният метал или зоната на топене, (2) засегнатата от топлина зона и (3) незасегнатата зона. Заваръчният метал е тази част от съединението, която е била разтопена по време на заваряване. Термично засегнатата зона е област в съседство със заваръчния метал, който не е бил заварен, но е претърпял промяна в микроструктурата или механичните свойства поради топлината на заваряване. Незасегнатият материал е този, който не е бил нагрят достатъчно, за да промени свойствата си.

Съставът на заваръчния метал и условията, при които той замръзва (втвърдява се), значително влияят върху способността на съединението да отговаря на изискванията за експлоатация. При електродъгово заваряване заваръчният метал се състои от добавъчен материал плюс основния метал, който се е разтопил. След преминаване на дъгата настъпва бързо охлаждане на заваръчния метал. Еднопроходната заварка има лята структура с колоновидни зърна, простиращи се от ръба на разтопения басейн до центъра на заварката. При многопроходно заваряване тази лята структура може да бъде модифицирана в зависимост от конкретния метал, който се заварява.

Основният метал в близост до заваръчния шев или зоната, засегната от топлина, е подложен на редица температурни цикли и промяната в структурата му е пряко свързана с пиковата температура във всяка дадена точка, времето на излагане и скоростите на охлаждане. Видовете неблагородни метали са твърде многобройни, за да ги обсъждаме тук, но те могат да бъдат групирани в три класа: (1) материали, незасегнати от топлината на заваряване, (2) материали, втвърдени от структурна промяна, (3) материали, втвърдени от процеси на утаяване.

Заваряването създава напрежения в материалите. Тези сили се предизвикват от свиване на заваръчния метал и от разширяване и след това свиване на засегнатата от топлина зона. Ненагрятият метал налага ограничение върху горното и тъй като свиването преобладава, заваръчният метал не може да се свива свободно и във връзката се създава напрежение. Това обикновено е известно като остатъчно напрежение и за някои критични приложения трябва да се премахне чрез топлинна обработка на цялата изработка. Остатъчното напрежение е неизбежно във всички заварени конструкции и ако не се контролира, ще настъпи извиване или изкривяване на заварката. Контролът се упражнява от техниката на заваряване, приспособленията и приспособленията, производствените процедури и крайната топлинна обработка.