Osnovni principi zavarivanja

Zavar se može definirati kao koalescencija metala proizvedena zagrijavanjem na odgovarajuću temperaturu sa ili bez primjene pritiska, te sa ili bez upotrebe materijala za punjenje.

Kod fuzionog zavarivanja izvor topline stvara dovoljno topline za stvaranje i održavanje rastopljenog metala potrebne veličine. Toplina se može isporučiti električnom energijom ili plinskim plamenom. Električno otporno zavarivanje se može smatrati fuzionim zavarivanjem jer se formira neki rastopljeni metal.

---

Čvrstofazni procesi proizvode zavarene spojeve bez topljenja osnovnog materijala i bez dodavanja dodatnog metala. Pritisak se uvijek koristi i općenito se obezbjeđuje nešto topline. Toplina trenja se razvija u ultrazvučnom i frikcionom spajanju, a grijanje peći se obično koristi u difuzijskom vezivanju.

Električni luk koji se koristi u zavarivanju je visokostrujni, niskonaponski pražnjenje općenito u rasponu od 10-2.000 ampera na 10-50 volti. Stub luka je složen, ali se, općenito govoreći, sastoji od katode koja emituje elektrone, plinske plazme za provođenje struje i anodne regije koja postaje relativno toplija od katode zbog bombardiranja elektrona. Obično se koristi luk jednosmerne struje (DC), ali se mogu koristiti i lukovi naizmenične struje (AC).

Ukupna uložena energija u svim procesima zavarivanja premašuje onu koja je potrebna za proizvodnju spoja, jer se sva proizvedena toplota ne može efikasno iskoristiti. Efikasnost varira od 60 do 90 posto, ovisno o procesu; neki posebni procesi uvelike odstupaju od ove brojke. Toplota se gubi provođenjem kroz osnovni metal i zračenjem u okolinu.

Većina metala, kada se zagrije, reagira s atmosferom ili drugim metalima u blizini. Ove reakcije mogu biti izuzetno štetne za svojstva zavarenog spoja. Većina metala, na primjer, brzo oksidira kada se rastali. Sloj oksida može spriječiti pravilno vezivanje metala. Kapljice rastopljenog metala obložene oksidom postaju zarobljene u zavaru i čine spoj krhkim. Neki vrijedni materijali koji se dodaju zbog specifičnih svojstava reagiraju tako brzo na izlaganje zraku da metal koji se taloži nema isti sastav kao u početku. Ovi problemi su doveli do upotrebe fluksa i inertne atmosfere.

U zavarivanju fuzijom fluks ima zaštitnu ulogu u olakšavanju kontrolirane reakcije metala, a zatim u sprječavanju oksidacije formiranjem pokrivača preko rastaljenog materijala. Fluksovi mogu biti aktivni i pomoći u procesu ili neaktivni i jednostavno štite površine tokom spajanja.

Inertne atmosfere imaju zaštitnu ulogu sličnu onoj kod fluksa. U zavarivanju metalnim lukom zaštićenim plinom i volframovim lukom zaštićenim plinom, inertni plin — obično argon — teče iz prstenastog prostora koji okružuje gorionik u neprekidnom mlazu, istiskujući zrak oko luka. Plin ne reagira kemijski s metalom, već ga jednostavno štiti od kontakta s kisikom u zraku.

Metalurgija spajanja metala je važna za funkcionalne sposobnosti spoja. Lučni zavar ilustruje sve osnovne karakteristike spoja. Prolaskom luka zavarivanja nastaju tri zone: (1) metal šava ili zona fuzije, (2) zona pod uticajem toplote i (3) zona bez uticaja. Metal šava je onaj dio spoja koji je otopljen tokom zavarivanja. Toplotno pogođena zona je područje u blizini metala šava koje nije zavareno, ali je pretrpjelo promjenu mikrostrukture ili mehaničkih svojstava uslijed topline zavarivanja. Nepotaknuti materijal je onaj koji nije dovoljno zagrijan da bi se promijenila njegova svojstva.

Sastav metala šava i uslovi pod kojima se smrzava (učvršćuje) značajno utječu na sposobnost spoja da ispuni zahtjeve servisiranja. Kod elektrolučnog zavarivanja, metal šava se sastoji od materijala za punjenje plus osnovni metal koji se otopio. Nakon prolaska luka dolazi do brzog hlađenja metala šava. Zavar u jednom prolazu ima livenu strukturu sa stupčastim zrnima koja se protežu od ruba rastopljenog bazena do centra vara. U višeprolaznom zavaru, ova livena struktura može se modificirati, ovisno o određenom metalu koji se zavari.

Osnovni metal u blizini zavarenog spoja, ili zona pod utjecajem topline, je podvrgnut nizu temperaturnih ciklusa, a njegova promjena u strukturi je direktno povezana s vršnom temperaturom u bilo kojoj tački, vremenom izlaganja i brzinama hlađenja. Tipovi osnovnih metala su previše brojni da bi se ovdje raspravljali, ali se mogu grupisati u tri klase: (1) materijali na koje ne utiče toplina zavarivanja, (2) materijali očvrsnuti strukturnim promjenama, (3) materijali očvrsnuti procesima precipitacije.

Zavarivanje stvara naprezanja u materijalima. Ove sile su izazvane kontrakcijom metala šava i širenjem, a zatim kontrakcijom zone zahvaćene toplotom. Nezagrijani metal nameće ograničenje na gore navedeno, a kako kontrakcija prevladava, metal šava se ne može slobodno skupljati, a u spoju se stvara naprezanje. Ovo je općenito poznato kao zaostalo naprezanje, a za neke kritične primjene mora se ukloniti toplinskom obradom cijele proizvodnje. Preostalo naprezanje je neizbježno u svim zavarenim konstrukcijama, a ukoliko se ne kontrolira doći će do savijanja ili izobličenja zavara. Kontrola se vrši tehnikom zavarivanja, šablonima i učvršćenjima, postupcima izrade i finalnom termičkom obradom.