Osnovni principi varjenja

Zvar lahko opredelimo kot združevanje kovin, ki nastane s segrevanjem na primerno temperaturo z ali brez uporabe pritiska ter z ali brez uporabe dodajnega materiala.

Pri talilnem varjenju vir toplote ustvari dovolj toplote za ustvarjanje in vzdrževanje bazena staljene kovine zahtevane velikosti. Toplota se lahko dovaja z elektriko ali s plinskim plamenom. Električno uporovno varjenje lahko štejemo za talilno varjenje, ker nastane nekaj staljene kovine.

---

Postopki v trdni fazi proizvajajo zvare brez taljenja osnovnega materiala in brez dodajanja dodajne kovine. Tlak je vedno uporabljen in na splošno je zagotovljeno nekaj toplote. Torna toplota se razvije pri ultrazvočnem in tornem spajanju, segrevanje v peči pa se običajno uporablja pri difuzijskem lepljenju.

Električni oblok, ki se uporablja pri varjenju, je visokotokovna nizkonapetostna razelektritev, običajno v območju 10–2000 amperov pri 10–50 voltih. Steber obloka je zapleten, vendar na splošno sestoji iz katode, ki oddaja elektrone, plinske plazme za prevod toka in anodne regije, ki postane sorazmerno bolj vroča od katode zaradi obstreljevanja z elektroni. Običajno se uporablja oblok z enosmernim tokom (DC), lahko pa se uporabijo obloki z izmeničnim tokom (AC).

Skupni vložek energije pri vseh varilnih postopkih presega tisto, ki je potrebna za izdelavo spoja, ker vse proizvedene toplote ni mogoče učinkovito izkoristiti. Učinkovitosti se razlikujejo od 60 do 90 odstotkov, odvisno od procesa; nekateri posebni procesi močno odstopajo od te številke. Toplota se izgublja s prevajanjem skozi osnovno kovino in s sevanjem v okolico.

Večina kovin pri segrevanju reagira z atmosfero ali drugimi bližnjimi kovinami. Te reakcije so lahko izjemno škodljive za lastnosti zvarjenega spoja. Večina kovin na primer hitro oksidira, ko se stopi. Plast oksida lahko prepreči pravilno lepljenje kovine. Kapljice staljene kovine, prevlečene z oksidom, se ujamejo v zvar in naredijo spoj krhek. Nekateri dragoceni materiali, dodani zaradi posebnih lastnosti, reagirajo tako hitro ob izpostavljenosti zraku, da nanešena kovina nima enake sestave, kot je bila na začetku. Te težave so privedle do uporabe fluksov in inertne atmosfere.

Pri talilnem varjenju ima prašek zaščitno vlogo pri omogočanju nadzorovane reakcije kovine in nato preprečevanju oksidacije z oblikovanjem odeje nad staljenim materialom. Talila so lahko aktivna in pomagajo pri procesu ali neaktivna in zgolj ščitijo površine med spajanjem.

Inertne atmosfere imajo podobno zaščitno vlogo kot tokovi. Pri obločnem varjenju s kovinskim oblokom v zaščitenem plinu in obločnem varjenju z volframom v zaščitenem plinu inertni plin – običajno argon – teče iz obroča, ki obdaja gorilnik, v neprekinjenem toku in izpodriva zrak okoli obloka. Plin ne reagira kemično s kovino, temveč jo preprosto ščiti pred stikom s kisikom v zraku.

Metalurgija spajanja kovin je pomembna za funkcionalne sposobnosti spoja. Obločni zvar ponazarja vse osnovne značilnosti spoja. Tri cone nastanejo zaradi prehoda varilnega obloka: (1) zvar ali talilna cona, (2) toplotno prizadeta cona in (3) nespremenjena cona. Zvar je tisti del spoja, ki je bil med varjenjem staljen. Območje toplotnega vpliva je območje, ki meji na kovino zvara, ki ni bilo varjeno, vendar je bilo spremenjeno v mikrostrukturi ali mehanskih lastnostih zaradi toplote varjenja. Neprizadet material je tisti, ki ni bil dovolj segret, da bi spremenil svoje lastnosti.

Sestava kovine zvara in pogoji, pod katerimi zmrzne (strdi), pomembno vplivajo na sposobnost spoja, da izpolni zahteve glede uporabe. Pri obločnem varjenju je zvar sestavljen iz polnilnega materiala in osnovne kovine, ki je staljena. Po prehodu obloka se zvar hitro ohladi. Zvar z enim prehodom ima ulito strukturo s stebrastimi zrni, ki se raztezajo od roba bazena staline do središča zvara. Pri večpasnem zvaru se lahko ta ulita struktura spremeni, odvisno od določene kovine, ki se vari.

Osnovna kovina, ki meji na zvar, ali območje toplotnega vpliva, je izpostavljena razponu temperaturnih ciklov in njena sprememba v strukturi je neposredno povezana z najvišjo temperaturo na kateri koli dani točki, časom izpostavljenosti in hitrostjo ohlajanja. Vrste navadnih kovin je preveč, da bi jih tukaj razpravljali, vendar jih lahko razvrstimo v tri razrede: (1) materiali, na katere ne vpliva varilna toplota, (2) materiali, utrjeni zaradi strukturnih sprememb, (3) materiali, utrjeni zaradi procesov padavin.

Varjenje povzroča napetosti v materialih. Te sile nastanejo zaradi krčenja kovine zvara ter raztezanja in nato krčenja toplotno prizadetega območja. Neogreta kovina omejuje zgoraj navedeno, in ker prevladuje kontrakcija, se kovina zvara ne more prosto krčiti in v spoju nastane napetost. To je splošno znano kot zaostala napetost in za nekatere kritične aplikacije jo je treba odstraniti s toplotno obdelavo celotne izdelave. Preostala napetost je neizogibna v vseh varjenih konstrukcijah in če ni nadzorovana, bo prišlo do upogiba ali deformacije zvara. Nadzor izvajamo s tehniko varjenja, pripravami in vpenjali, postopki izdelave in končno toplotno obdelavo.