Základné princípy zvárania

Zvar možno definovať ako koalescenciu kovov vyrobenú zahrievaním na vhodnú teplotu s použitím tlaku alebo bez neho a s použitím alebo bez použitia prídavného materiálu.

Pri tavnom zváraní zdroj tepla vytvára dostatočné teplo na vytvorenie a udržanie roztaveného kovu požadovanej veľkosti. Teplo môže byť dodávané elektrinou alebo plynovým plameňom. Zváranie elektrickým odporom možno považovať za tavné zváranie, pretože sa vytvára určité množstvo roztaveného kovu.

Procesy v tuhej fáze vytvárajú zvary bez roztavenia základného materiálu a bez pridania prídavného kovu. Vždy sa používa tlak a vo všeobecnosti sa poskytuje určité teplo. Trecie teplo sa vyvíja pri ultrazvukovom a trecom spájaní a ohrev pece sa zvyčajne používa pri difúznom spájaní.

Elektrický oblúk používaný pri zváraní je vysokoprúdový nízkonapäťový výboj vo všeobecnosti v rozsahu 10 – 2 000 ampérov pri 10 – 50 voltoch. Oblúkový stĺp je zložitý, ale v širšom zmysle pozostáva z katódy, ktorá vyžaruje elektróny, plynovej plazmy na vedenie prúdu a oblasti anódy, ktorá sa stáva porovnateľne teplejšou ako katóda v dôsledku bombardovania elektrónmi. Zvyčajne sa používa oblúk jednosmerného prúdu (DC), ale môžu sa použiť oblúky striedavého prúdu (AC).

Celková spotreba energie vo všetkých procesoch zvárania presahuje spotrebu potrebnej na vytvorenie spoja, pretože nie všetko vytvorené teplo sa dá efektívne využiť. Účinnosť sa pohybuje od 60 do 90 percent v závislosti od procesu; niektoré špeciálne procesy sa značne odchyľujú od tohto čísla. Teplo sa stráca vedením cez základný kov a sálaním do okolia.

Väčšina kovov po zahriatí reaguje s atmosférou alebo inými blízkymi kovmi. Tieto reakcie môžu byť mimoriadne škodlivé pre vlastnosti zvarového spoja. Väčšina kovov napríklad pri roztavení rýchlo oxiduje. Vrstva oxidu môže brániť správnemu spojeniu kovu. Kvapky roztaveného kovu potiahnuté oxidom sa zachytia vo zvare a spoja sa stáva krehkým. Niektoré cenné materiály pridané pre špecifické vlastnosti reagujú pri vystavení vzduchu tak rýchlo, že nanesený kov nemá rovnaké zloženie ako pôvodne. Tieto problémy viedli k použitiu tavív a inertných atmosfér.

Pri tavnom zváraní má tavivo ochrannú úlohu pri uľahčovaní riadenej reakcie kovu a potom predchádza oxidácii vytvorením prikrývky nad roztaveným materiálom. Tavivá môžu byť aktívne a pomáhajú v procese alebo neaktívne a jednoducho chránia povrchy počas spájania.

Inertná atmosféra hrá ochrannú úlohu podobnú tej, ktorú majú tavivá. Pri zváraní kovovým oblúkom s ochranným plynom a volfrámovým oblúkom s ochranným plynom prúdi inertný plyn – zvyčajne argón – z medzikružia obklopujúceho horák v nepretržitom prúde, čím vytláča vzduch z oblúka. Plyn chemicky nereaguje s kovom, ale jednoducho ho chráni pred kontaktom so vzdušným kyslíkom.

Metalurgia spájania kovov je dôležitá pre funkčné možnosti spoja. Oblúkový zvar znázorňuje všetky základné vlastnosti spoja. Prechodom zváracieho oblúka vznikajú tri zóny: (1) zvarový kov alebo zóna tavenia, (2) tepelne ovplyvnená zóna a (3) neovplyvnená zóna. Zvarový kov je tá časť spoja, ktorá bola roztavená počas zvárania. Teplom ovplyvnená oblasť je oblasť susediaca so zvarovým kovom, ktorá nebola zvarená, ale prešla zmenou mikroštruktúry alebo mechanických vlastností v dôsledku tepla zvárania. Neovplyvnený materiál je ten, ktorý nebol dostatočne zahriaty, aby sa zmenili jeho vlastnosti.

Zloženie zvarového kovu a podmienky, za ktorých tuhne (tuhnú) výrazne ovplyvňujú schopnosť spoja spĺňať prevádzkové požiadavky. Pri oblúkovom zváraní zvarový kov obsahuje prídavný materiál plus základný kov, ktorý sa roztavil. Po prechode oblúka nastáva rýchle ochladenie zvarového kovu. Jednoprechodový zvar má odlievanú štruktúru so stĺpcovými zrnami siahajúcimi od okraja roztaveného kúpeľa do stredu zvaru. Pri viacvrstvovom zvare môže byť táto liata štruktúra modifikovaná v závislosti od konkrétneho kovu, ktorý sa zvára.

Základný kov susediaci so zvarom alebo tepelne ovplyvnená zóna je vystavená celému radu teplotných cyklov a jeho zmena v štruktúre priamo súvisí so špičkovou teplotou v akomkoľvek danom bode, časom expozície a rýchlosťami ochladzovania. Typy základných kovov sú príliš početné na to, aby sa tu diskutovalo, ale možno ich zoskupiť do troch tried: (1) materiály neovplyvnené teplom zvárania, (2) materiály vytvrdené štrukturálnymi zmenami, (3) materiály vytvrdené precipitačnými procesmi.

Zváranie vytvára napätie v materiáloch. Tieto sily sú vyvolané kontrakciou zvarového kovu a expanziou a následnou kontrakciou tepelne ovplyvnenej oblasti. Nezahriaty kov obmedzuje vyššie uvedené a keďže prevláda kontrakcia, zvarový kov sa nemôže voľne sťahovať a v spoji sa vytvára napätie. Toto je všeobecne známe ako zvyškové napätie a pri niektorých kritických aplikáciách sa musí odstrániť tepelným spracovaním celého výrobku. Zvyškové napätie je nevyhnutné vo všetkých zváraných konštrukciách a ak nie je kontrolované, dôjde k prehnutiu alebo deformácii zvaru. Riadenie sa vykonáva technikou zvárania, prípravkami a prípravkami, výrobnými postupmi a konečným tepelným spracovaním.