Metināšanas pamatprincipi

Metināto šuvi var definēt kā metālu saplūšanu, ko iegūst, karsējot līdz piemērotai temperatūrai ar vai bez spiediena, un ar vai bez pildvielas izmantošanas.

Kausēšanas metināšanā siltuma avots ģenerē pietiekami daudz siltuma, lai izveidotu un uzturētu vajadzīgā izmēra izkausētu metālu baseinu. Siltumu var nodrošināt ar elektrību vai gāzes liesmu. Elektriskās pretestības metināšanu var uzskatīt par kausēšanas metināšanu, jo veidojas nedaudz kausēta metāla.

---

Cietās fāzes procesos tiek iegūtas metinātās šuves, nekausējot pamatmateriālu un nepievienojot pildvielu. Vienmēr tiek izmantots spiediens, un parasti tiek nodrošināts zināms siltums. Berzes siltumu izstrādā ultraskaņas un berzes savienošanā, un difūzijas savienošanai parasti izmanto krāsns apkuri.

Metināšanā izmantotā elektriskā loka ir augstas strāvas zemsprieguma izlāde, parasti diapazonā no 10 līdz 2000 ampēriem pie 10 līdz 50 voltiem. Loka kolonna ir sarežģīta, taču, vispārīgi runājot, tā sastāv no katoda, kas izstaro elektronus, gāzes plazmas strāvas vadīšanai un anoda apgabala, kas elektronu bombardēšanas dēļ kļūst salīdzinoši karstāks par katodu. Parasti izmanto līdzstrāvas (DC) loku, bet var izmantot arī maiņstrāvas (AC) lokus.

Kopējais enerģijas patēriņš visos metināšanas procesos pārsniedz to, kas nepieciešams savienojuma izveidošanai, jo ne visu saražoto siltumu var efektīvi izmantot. Efektivitāte svārstās no 60 līdz 90 procentiem atkarībā no procesa; daži īpaši procesi ievērojami atšķiras no šī skaitļa. Siltums tiek zaudēts, vadot parasto metālu un izstarojot apkārtējo vidi.

Lielākā daļa metālu, karsējot, reaģē ar atmosfēru vai citiem tuvumā esošajiem metāliem. Šīs reakcijas var ārkārtīgi kaitēt metinātā savienojuma īpašībām. Piemēram, lielākā daļa metālu ātri oksidējas, kad tie ir izkausēti. Oksīda slānis var novērst pareizu metāla savienošanu. Izkausēta metāla pilieni, kas pārklāti ar oksīdu, iesprūst metinātajā šuvē un padara savienojumu trauslu. Daži vērtīgi materiāli, kas pievienoti specifiskām īpašībām, tik ātri reaģē, saskaroties ar gaisu, ka nogulsnētajam metālam nav tāda paša sastāva kā sākotnēji. Šīs problēmas ir izraisījušas plūsmu un inertas atmosfēras izmantošanu.

Kausēšanas metināšanā plūsmai ir aizsargājoša loma, veicinot kontrolētu metāla reakciju un pēc tam novēršot oksidēšanos, veidojot segu virs izkausētā materiāla. Plūsmas var būt aktīvas un palīdzēt procesā vai neaktīvas un vienkārši aizsargāt virsmas savienošanas laikā.

Inertai atmosfērai ir tāda pati aizsargājoša loma kā plūsmai. Ar gāzi aizsargātā metāla loka un ar gāzi aizsargātā volframa loka metināšanā inerta gāze — parasti argons — nepārtrauktā plūsmā plūst no gredzena, kas ieskauj degli, izspiežot gaisu no loka apkārtnes. Gāze ķīmiski nereaģē ar metālu, bet vienkārši aizsargā to no saskares ar gaisā esošo skābekli.

Metāla savienojuma metalurģija ir svarīga savienojuma funkcionālajām iespējām. Loka metināšana ilustrē visas savienojuma pamatīpašības. Metināšanas loka caurbraukšanas rezultātā veidojas trīs zonas: (1) metinātā metāla jeb saplūšanas zona, (2) siltuma ietekmētā zona un (3) neskartā zona. Metinātais metāls ir tā savienojuma daļa, kas metināšanas laikā ir izkususi. Siltuma ietekmētā zona ir apgabals, kas atrodas blakus metinātajam metālam, kas nav metināts, bet ir mainījis mikrostruktūru vai mehāniskās īpašības metināšanas karstuma dēļ. Neietekmēts materiāls ir materiāls, kas nav pietiekami karsēts, lai mainītu tā īpašības.

Metinātā metāla sastāvs un apstākļi, kādos tas sasalst (sastingst), būtiski ietekmē savienojuma spēju atbilst ekspluatācijas prasībām. Loka metināšanā metinātais metāls satur pildvielu un parasto metālu, kas ir izkusis. Pēc loka iziešanas notiek ātra metinātā metāla dzesēšana. Vienvirziena metinājumam ir liešanas struktūra ar kolonnveida graudiem, kas stiepjas no izkausētā baseina malas līdz metinājuma šuves centram. Daudzkārtu metināšanā šī liešanas struktūra var tikt modificēta atkarībā no konkrētā metināmā metāla.

Parastais metāls, kas atrodas blakus metinājumam vai siltuma ietekmētajai zonai, tiek pakļauts dažādiem temperatūras cikliem, un tā struktūras izmaiņas ir tieši saistītas ar maksimālo temperatūru jebkurā noteiktā punktā, iedarbības laiku un dzesēšanas ātrumu. Parasto metālu veidi ir pārāk daudz, lai tos šeit apspriestu, taču tos var grupēt trīs klasēs: (1) materiāli, kurus neietekmē metināšanas karstums, (2) materiāli, kas ir cietināti ar strukturālām izmaiņām, (3) materiāli, kas sacietējuši nokrišņu procesos.

Metināšana rada spriegumus materiālos. Šos spēkus izraisa metinātā metāla saraušanās un siltuma ietekmētās zonas izplešanās un pēc tam saraušanās. Nekarsēts metāls ierobežo iepriekš minēto, un, tā kā dominē saraušanās, metinātais metāls nevar brīvi sarauties, un savienojumā veidojas spriegums. To parasti sauc par atlikušo spriegumu, un dažiem kritiskiem lietojumiem tas ir jānoņem, termiski apstrādājot visu izstrādājumu. Atlikušais spriegums ir neizbēgams visās metinātajās konstrukcijās, un, ja tas netiek kontrolēts, notiek metinājuma izliekums vai deformācija. Kontroli veic, izmantojot metināšanas tehniku, džigas un armatūras, ražošanas procedūras un galīgo termisko apstrādi.