Podstawowe zasady spawania

Spoinę można zdefiniować jako koalescencję metali powstałą w wyniku ogrzewania do odpowiedniej temperatury z zastosowaniem ciśnienia lub bez niego, z użyciem materiału dodatkowego lub bez niego.

Podczas spawania źródło ciepła wytwarza wystarczającą ilość ciepła, aby utworzyć i utrzymać jeziorko stopionego metalu o wymaganej wielkości.Ciepło może być dostarczane za pomocą prądu elektrycznego lub płomienia gazowego.Zgrzewanie oporowe można uznać za zgrzewanie statyczne, ponieważ tworzy się trochę stopionego metalu.

W procesach w fazie stałej powstają spoiny bez topienia materiału podstawowego i bez dodatku metalu dodatkowego.Zawsze stosuje się ciśnienie i zazwyczaj dostarczana jest pewna ilość ciepła.Ciepło tarcia powstaje podczas łączenia ultradźwiękowego i tarcia, a przy łączeniu dyfuzyjnym zwykle stosuje się ogrzewanie w piecu.

Łuk elektryczny stosowany podczas spawania to wyładowanie wysokoprądowe o niskim napięciu, zwykle w zakresie 10–2 000 amperów przy napięciu 10–50 woltów.Kolumna łukowa jest złożona, ale ogólnie rzecz biorąc, składa się z katody, która emituje elektrony, plazmy gazowej służącej do przewodzenia prądu oraz obszaru anody, który staje się stosunkowo gorętszy niż katoda w wyniku bombardowania elektronami.Zwykle stosuje się łuk prądu stałego (DC), ale można zastosować łuk prądu przemiennego (AC).

Całkowity pobór energii we wszystkich procesach spawania przekracza energię wymaganą do wytworzenia złącza, ponieważ nie całe wytworzone ciepło można efektywnie wykorzystać.Wydajność waha się od 60 do 90 procent, w zależności od procesu;niektóre procesy specjalne znacznie odbiegają od tej liczby.Ciepło jest tracone w wyniku przewodzenia przez metal nieszlachetny i promieniowania do otoczenia.

Większość metali po podgrzaniu reaguje z atmosferą lub innymi pobliskimi metalami.Reakcje te mogą być niezwykle szkodliwe dla właściwości złącza spawanego.Na przykład większość metali szybko utlenia się po stopieniu.Warstwa tlenku może uniemożliwić prawidłowe wiązanie metalu.Krople stopionego metalu pokryte tlenkiem zostają uwięzione w spoinie i powodują kruchość złącza.Niektóre cenne materiały dodane ze względu na określone właściwości reagują tak szybko pod wpływem powietrza, że ​​osadzony metal nie ma takiego samego składu jak początkowo.Problemy te doprowadziły do ​​stosowania topników i atmosfer obojętnych.

Podczas spawania topnik pełni rolę ochronną, ułatwiając kontrolowaną reakcję metalu, a następnie zapobiegając utlenianiu poprzez utworzenie płaszcza na stopionym materiale.Topniki mogą być aktywne i pomagać w procesie lub nieaktywne i po prostu chronić powierzchnie podczas łączenia.

Atmosfery obojętne pełnią rolę ochronną podobną do topników.Podczas spawania łukiem metalowym w osłonie gazu i łukiem wolframowym w osłonie gazu gaz obojętny — zwykle argon — wypływa z pierścienia otaczającego palnik w ciągłym strumieniu, wypierając powietrze wokół łuku.Gaz nie reaguje chemicznie z metalem, a jedynie chroni go przed kontaktem z tlenem zawartym w powietrzu.

Metalurgia łączenia metali jest ważna dla funkcjonalności złącza.Spoina łukowa ilustruje wszystkie podstawowe cechy złącza.W wyniku przejścia łuku spawalniczego powstają trzy strefy: (1) metal spoiny, czyli strefa wtopienia, (2) strefa wpływu ciepła i (3) strefa nienaruszona.Metal spoiny to ta część złącza, która została stopiona podczas spawania.Strefa wpływu ciepła to obszar przylegający do metalu spoiny, który nie został zespawany, ale uległ zmianie w mikrostrukturze lub właściwościach mechanicznych pod wpływem ciepła spawania.Materiał nienaruszony to taki, który nie został wystarczająco ogrzany, aby zmienić jego właściwości.

Skład stopiwa i warunki jego zamarzania (zestania) znacząco wpływają na zdolność złącza do spełnienia wymagań eksploatacyjnych.Podczas spawania łukowego metal spoiny składa się z materiału dodatkowego i stopionego metalu rodzimego.Po przejściu łuku następuje szybkie schłodzenie metalu spoiny.Spoina jednoprzejściowa ma strukturę odlewu z ziarnami kolumnowymi rozciągającymi się od krawędzi jeziorka stopionego do środka spoiny.W spoinie wielościegowej tę odlewaną strukturę można modyfikować w zależności od konkretnego spawanego metalu.

Metal nieszlachetny sąsiadujący ze spoiną, czyli strefa wpływu ciepła, poddawany jest szeregowi cykli temperaturowych, a zmiana jego struktury jest bezpośrednio powiązana z temperaturą szczytową w danym punkcie, czasem ekspozycji i szybkością chłodzenia .Rodzajów metali nieszlachetnych jest zbyt wiele, aby je tu omawiać, ale można je podzielić na trzy klasy: (1) materiały odporne na ciepło spawania, (2) materiały utwardzane w wyniku zmian strukturalnych, (3) materiały utwardzane w procesach wydzieleniowych.

Spawanie powoduje naprężenia w materiałach.Siły te powstają w wyniku skurczu metalu spoiny oraz rozszerzania, a następnie kurczenia się strefy wpływu ciepła.Nieogrzewany metal stanowi ograniczenie dla powyższego, a ponieważ dominuje skurcz, metal spoiny nie może się swobodnie kurczyć, a w złączu powstają naprężenia.Jest to ogólnie znane jako naprężenie szczątkowe i w niektórych krytycznych zastosowaniach należy je usunąć poprzez obróbkę cieplną całego produktu.Naprężenia szczątkowe są nieuniknione we wszystkich konstrukcjach spawanych i jeśli nie są kontrolowane, nastąpi wyginanie lub odkształcenie konstrukcji spawanej.Kontrolę sprawuje technika spawania, przyrządy i osprzęt, procedury produkcyjne i końcowa obróbka cieplna.