Основні принципи зварювання

Зварний шов можна визначити як коалесценцію металів, утворену нагріванням до відповідної температури із застосуванням тиску або без нього, із застосуванням або без використання наповнювача.

Під час зварювання плавленням джерело тепла генерує достатню кількість тепла для створення та підтримки купи розплавленого металу необхідного розміру. Тепло може постачатися електрикою або газовим полум'ям. Електричне зварювання опором можна вважати зварюванням плавленням, оскільки утворюється деяка кількість розплавленого металу.

---

Твердофазні процеси забезпечують зварювання без плавлення основного матеріалу та без додавання присадного металу. Завжди використовується тиск і, як правило, забезпечується деяка кількість тепла. Тепло тертя розвивається при ультразвуковому та фрикційному з’єднанні, а нагрівання в печі зазвичай використовується для дифузійного з’єднання.

Електрична дуга, яка використовується під час зварювання, являє собою розряд сильного струму низької напруги, як правило, в діапазоні 10–2000 ампер при напрузі 10–50 вольт. Стовп дуги складний, але, загалом кажучи, складається з катода, який випускає електрони, газової плазми для проведення струму та анодної області, яка стає порівняно гарячішою за катод через електронну бомбардування. Зазвичай використовується дуга постійного струму (DC), але можна використовувати дуги змінного струму (AC).

Загальна витрата енергії в усіх зварювальних процесах перевищує ту, яка потрібна для створення з’єднання, оскільки не все тепло, що виділяється, може бути ефективно використано. Ефективність коливається від 60 до 90 відсотків, залежно від процесу; деякі спеціальні процеси значно відхиляються від цієї цифри. Тепло втрачається через провідність через основний метал і випромінювання в навколишнє середовище.

Більшість металів при нагріванні реагують з атмосферою або іншими найближчими металами. Ці реакції можуть бути надзвичайно шкідливими для властивостей зварного з'єднання. Більшість металів, наприклад, швидко окислюються при розплавленні. Шар оксиду може перешкодити правильному зчепленню металу. Краплі розплавленого металу, покриті оксидом, потрапляють у зварний шов і роблять з’єднання крихким. Деякі цінні матеріали, додані для певних властивостей, так швидко реагують на повітря, що нанесений метал не має такого складу, як спочатку. Ці проблеми призвели до використання потоків та інертних атмосфер.

У зварюванні плавленням флюс відіграє захисну роль, сприяючи контрольованій реакції металу, а потім запобігаючи окисленню, утворюючи ковдру над розплавленим матеріалом. Флюси можуть бути активними і допомагати в процесі або неактивними і просто захищати поверхні під час з'єднання.

Інертні атмосфери відіграють захисну роль, подібну до ролі потоків. Під час дугового зварювання металом у захисному газі та вольфрамовим зварюванням у захисному газі інертний газ, як правило, аргон, витікає з кільця, що оточує пальник, безперервним потоком, витісняючи повітря навколо дуги. Газ не вступає в хімічну реакцію з металом, а просто захищає його від контакту з киснем повітря.

Для функціональних можливостей з'єднання важлива металургія з'єднання металів. Дугове зварювання ілюструє всі основні особливості з'єднання. Три зони є результатом проходження зварювальної дуги: (1) зварювальний метал, або зона плавлення, (2) зона термічного впливу та (3) зона без впливу. Наплавлений метал - це та частина з'єднання, яка була розплавлена ​​під час зварювання. Зона термічного впливу - це область, прилегла до металу шва, яка не була зварена, але зазнала зміни в мікроструктурі або механічних властивостях через тепло зварювання. Неушкоджений матеріал - це той, який не був нагрітий достатньо, щоб змінити його властивості.

Склад металу шва та умови, за яких він замерзає (твердіє), значно впливають на здатність з’єднання відповідати вимогам експлуатації. При дуговому зварюванні метал шва складається з присадочного матеріалу плюс основного металу, який розплавився. Після проходження дуги відбувається швидке охолодження наплавленого металу. Однопрохідний зварний шов має литу структуру зі стовпчастими зернами, що простягаються від краю ванни розплаву до центру зварного шва. У багатопрохідному зварюванні ця лита структура може бути модифікована залежно від конкретного металу, який зварюється.

Основний метал, що прилягає до зварного шва, або зона термічного впливу, піддається діапазону температурних циклів, і зміна його структури безпосередньо пов’язана з піковою температурою в будь-якій даній точці, часом впливу та швидкістю охолодження. Типів основного металу занадто багато, щоб обговорювати тут, але їх можна згрупувати в три класи: (1) матеріали, на які не впливає нагрівання зварювання, (2) матеріали, зміцнені структурними змінами, (3) матеріали, які зміцнюються процесами осадження.

Зварювання створює напруги в матеріалах. Ці сили викликані стисненням металу шва і розширенням, а потім і стисненням зони термічного впливу. Ненагрітий метал накладає обмеження на вищезазначене, і оскільки звуження переважає, метал шва не може вільно стискатися, і в з’єднанні створюється напруга. Це, як правило, відоме як залишкове напруження, і для деяких критичних застосувань його необхідно усунути шляхом термічної обробки всієї конструкції. Залишкова напруга є неминучою у всіх зварних конструкціях, і якщо вона не контролюється, відбудеться вигин або деформація зварного виробу. Контроль здійснюється за технікою зварювання, заготовками та пристосуваннями, процедурами виготовлення та кінцевою термічною обробкою.