Osnovni principi zavarivanja

Zavar se može definirati kao spajanje metala proizvedeno zagrijavanjem na odgovarajuću temperaturu sa ili bez primjene pritiska, sa ili bez upotrebe dodatnog materijala.

Kod zavarivanja taljenjem izvor topline stvara dovoljno topline za stvaranje i održavanje bazena rastaljenog metala potrebne veličine. Toplina se može dobiti električnom energijom ili plinskim plamenom. Električno otporno zavarivanje može se smatrati zavarivanjem taljenjem jer se stvara nešto rastaljenog metala.

---

Postupci čvrste faze proizvode zavare bez taljenja osnovnog materijala i bez dodavanja dodatnog metala. Tlak se uvijek koristi i općenito se osigurava nešto topline. Toplina trenja razvija se u ultrazvučnom i tarnom spajanju, a grijanje u peći obično se koristi u difuzijskom spajanju.

Električni luk koji se koristi u zavarivanju je pražnjenje visoke struje, niskog napona općenito u rasponu od 10-2000 ampera na 10-50 volti. Stupac luka je složen, ali se, općenito govoreći, sastoji od katode koja emitira elektrone, plinske plazme za provođenje struje i anodnog područja koje postaje razmjerno toplije od katode zbog bombardiranja elektronima. Obično se koristi istosmjerni (DC) luk, ali se mogu koristiti i izmjenični (AC) lukovi.

Ukupni unos energije u svim postupcima zavarivanja premašuje onaj koji je potreban za stvaranje spoja, jer se ne može učinkovito iskoristiti sva proizvedena toplina. Učinkovitost varira od 60 do 90 posto, ovisno o procesu; neki posebni procesi uvelike odstupaju od ove brojke. Toplina 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 spajanje metala. Kapljice rastaljenog metala obložene oksidom ostaju zarobljene u zavaru i čine spoj krhkim. Neki vrijedni materijali dodani radi specifičnih svojstava reagiraju tako brzo na izlaganje zraku da taloženi metal nema isti sastav kao u početku. Ovi problemi doveli su do upotrebe strujanja i inertne atmosfere.

U zavarivanju taljenjem prašak ima zaštitnu ulogu u omogućavanju kontrolirane reakcije metala i zatim sprječavanju oksidacije stvaranjem pokrivača preko rastaljenog materijala. Topitelji mogu biti aktivni i pomažu u procesu ili neaktivni i jednostavno štite površine tijekom spajanja.

Inertne atmosfere imaju zaštitnu ulogu sličnu onoj flukseva. U elektrolučnom zavarivanju metala zaštićenog plinom i elektrolučnog zavarivanja zaštićenog plinom, inertni plin - obično argon - teče iz prstena koji okružuje gorionik u kontinuiranoj struji, istiskujući zrak oko luka. Plin ne reagira kemijski s metalom, već ga jednostavno štiti od kontakta s kisikom u zraku.

Metalurgija spajanja metala važna je za funkcionalne mogućnosti spoja. Elektrolučni zavar ilustrira sve osnovne značajke spoja. Tri zone proizlaze iz prolaska luka zavarivanja: (1) metal zavara ili zona taljenja, (2) zona pod utjecajem topline i (3) zona bez utjecaja. Metal za zavarivanje je onaj dio spoja koji je otopljen tijekom zavarivanja. Zona pod utjecajem topline je područje uz metal zavara koje nije zavareno, ali je podvrgnuto promjeni mikrostrukture ili mehaničkih svojstava zbog topline zavarivanja. Nepromijenjeni materijal je onaj koji nije dovoljno zagrijan da promijeni svoja svojstva.

Sastav metala zavara i uvjeti pod kojima se smrzava (stvrdnjava) značajno utječu na sposobnost spoja da ispuni radne zahtjeve. Kod elektrolučnog zavarivanja, metal za zavarivanje sastoji se od dodatnog materijala i osnovnog metala koji se rastalio. Nakon prolaska luka dolazi do brzog hlađenja metala zavara. Jednoprolazni zavar ima lijevanu strukturu sa stupastim zrnima koja se protežu od ruba rastaljene posude do središta zavara. U višeprolaznom zavarivanju, ova lijevana struktura može se modificirati, ovisno o određenom metalu koji se zavaruje.

Osnovni metal u blizini zavara, ili zona pod utjecajem topline, podvrgnut je nizu temperaturnih ciklusa, a njegova promjena u strukturi izravno je povezana s vršnom temperaturom u bilo kojoj točki, vremenom izlaganja i brzinama hlađenja. Vrste osnovnih metala su previše brojne da bi se ovdje raspravljalo, ali se mogu grupirati u tri klase: (1) materijali na koje ne utječe toplina zavarivanja, (2) materijali očvrsnuti strukturnom promjenom, (3) materijali očvrsnuti procesima taloženja.

Zavarivanje stvara naprezanja u materijalima. Ove sile su inducirane kontrakcijom metala zavara i ekspanzijom, a zatim kontrakcijom zone utjecaja topline. Nezagrijani metal nameće ograničenje gore navedenom, a kako prevladava kontrakcija, metal zavara ne može se slobodno stezati, a u spoju se stvara naprezanje. To je općenito poznato kao zaostalo naprezanje, a za neke kritične primjene mora se ukloniti toplinskom obradom cijele izrade. Zaostalo naprezanje je neizbježno u svim zavarenim konstrukcijama, a ako se ne kontrolira, doći će do savijanja ili deformacije zavara. Kontrola se provodi tehnikom zavarivanja, šablonama i priborom, postupcima izrade i završnom toplinskom obradom.