Заваръчна металургия

Заваряване, техника, използвана за свързване на метални части, обикновено чрез прилагане на топлина. Тази техника е открита по време на усилията за манипулиране на желязото в полезни форми. Заварените остриета са разработени през 1-во хилядолетие, като най-известните са тези, произведени от арабски оръжейници в Дамаск, Сирия. Процесът на карбуризация на желязо за получаване на твърда стомана беше известен по това време, но получената стомана беше много крехка. Техниката на заваряване - която включваше слоене на сравнително меко и твърдо желязо с високо въглероден материал, последвано от коване с чук - произвеждаше силно и здраво ножче.

В съвремието усъвършенстването на техниките за производство на желязо, особено въвеждането на чугун, ограничи заваряването на ковача и бижутера. Други техники за свързване, като закрепване чрез болтове или нитове, бяха широко приложени за нови продукти, от мостове и железопътни двигатели до кухненски съдове.

Съвременните процеси за заваряване на синтез са израстък от необходимостта от получаване на непрекъсната фуга на големи стоманени плочи. Показано е, че нитове за занитване имат недостатъци, особено за затворен контейнер, като котел. Газовото заваряване, дъговото заваряване и заваряването с устойчивост се появяват в края на 19 век. Първият реален опит за широко прилагане на заваръчните процеси е направен по време на Първата световна война. До 1916 г. процесът на оксиацетилен е добре развит и използваните техники за заваряване все още се използват. Основните подобрения оттогава са в оборудването и безопасността. През този период е въведена и дъгова заварка с използване на консумативен електрод, но първоначално използваните голи проводници произвеждат чупливи заварки. Решение беше намерено чрез увиване на голата жица с азбест и сплетена алуминиева жица. Модерният електрод, въведен през 1907 г., се състои от гола жица със сложно покритие от минерали и метали. Дуговото заваряване не се използва универсално до Втората световна война, когато спешната нужда от бързи средства за строителство за корабоплаване, електроцентрали, транспорт и конструкции подтикна необходимата разработка.

Съпротивителното заваряване, изобретено през 1877 г. от Елиху Томсън, е прието много преди дъговото заваряване за точково и шевово съединяване на лист. Челно заваряване за изработка на вериги и съединяване на пръти и пръти е разработено през 20-те години. През 40-те години на миналия век е въведен процесът на инертния газов волфрам, използващ неконсумативен волфрамов електрод за извършване на термоядрени заварки. През 1948 г. нов газозащитен процес използва жичен електрод, който се консумира в заваряването. Съвсем наскоро са разработени електронно-лъчево заваряване, лазерно заваряване и няколко твърдофазни процеси като дифузионно свързване, триене и за ултразвуково присъединяване.

Основни принципи на заваряване

Една заварка може да бъде определена като коалесценция на метали, получени при нагряване до подходяща температура със или без прилагане на налягане и със или без използването на пълнителен материал.

При заваряване с синтез топлинен източник генерира достатъчно топлина за създаване и поддържане на разтопен метален басейн с необходимия размер. Топлината може да се подава с електричество или от газов пламък. Заваряването с електрическо съпротивление може да се счита за заваряване с термоядрен синтез, защото се образува разтопен метал.

В твърдофазните процеси се получават заварки без топене на основния материал и без добавяне на пълнителен метал. Винаги се използва налягане и обикновено се осигурява малко топлина. Фрикционната топлина се развива при присъединяване на ултразвук и триене, а отоплението в пещта обикновено се използва при дифузионно свързване.

Електрическата дъга, използвана при заваряване, е силен ток с ниско напрежение, обикновено в диапазона 10-2000 ампера при 10–50 волта. Колоната на дъгата е сложна, но в общи линии се състои от катод, който излъчва електрони, газова плазма за токова проводимост и анодна област, която става сравнително по-гореща от катода поради електронно бомбардиране. Обикновено се използва дъга с постоянен ток (DC), но могат да се използват дъги с променлив ток (AC).

Общият принос на енергия във всички заваръчни процеси надвишава този, който е необходим за производството на фуга, тъй като не цялата генерирана топлина може да бъде ефективно използвана. Ефективността варира от 60 до 90 процента, в зависимост от процеса; някои специални процеси значително се отклоняват от тази цифра. Топлината се губи от проводимост през основния метал и чрез излъчване към околната среда.

Повечето метали при нагряване реагират с атмосферата или други близки метали. Тези реакции могат да бъдат изключително вредни за свойствата на заварена фуга. Повечето метали, например, бързо се окисляват при разтопяване. Слоят оксид може да предотврати правилното свързване на метала. Капките от разтопен метал, покрити с оксид, се затварят в заварката и правят ставата чуплива. Някои ценни материали, добавени за специфични свойства, реагират толкова бързо при излагане на въздух, че отлаганият метал няма същия състав, както първоначално. Тези проблеми доведоха до използването на потоци и инертна атмосфера.

При заваряване с синтез флюсът има защитна роля за улесняване на контролирана реакция на метала и след това предотвратяване на окисляване чрез образуване на одеяло над разтопения материал. Потоците могат да бъдат активни и да помогнат в процеса или неактивни и просто да защитават повърхностите по време на съединяване.

Инертните атмосфери играят защитна роля, подобна на тази на флюсите. При защитена с газ метална дъга и защитена от газ волфрамова дъга, инертният газ - обикновено аргон - тече от затвор, заобикалящ факела, в непрекъснат поток, измествайки въздуха от около дъгата. Газът не реагира химически с метала, а просто го предпазва от контакт с кислорода във въздуха.

Металургията на металното съединяване е важна за функционалните възможности на фугата. Дъговата заварка илюстрира всички основни характеристики на фугата. Три зони се получават от преминаването на заваръчна дъга: (1) заваръчният метал или зоната на синтез, (2) зоната, която е засегната от топлина, и (3) незасегнатата зона. Металът за заваряване е тази част от съединението, която е била разтопена по време на заваряване. Засегнатата от топлина зона е зона, съседна на метала за заваряване, който не е бил заварен, но е претърпял промяна в микроструктурата или механичните свойства поради топлината на заваряване. Незасегнатият материал е този, който не е нагряван достатъчно, за да промени свойствата си.

Съставът от заваръчен метал и условията, при които той замръзва (втвърдява) значително влияят върху способността на съединението да отговаря на изискванията за обслужване. При електродъгово заваряване, заваръчният метал съдържа пълнителен материал плюс основния метал, който се е разтопил. След преминаване на дъгата става бързо охлаждане на заварения метал. Еднопроходната заварка има отлята структура с колоновидни зърна, простиращи се от ръба на стопения басейн до центъра на заварката. При многопътна заварка тази отливка може да бъде модифицирана в зависимост от конкретния метал, който се заварява.

Основният метал в съседство с заваряването или зоната, засегната от топлината, се подлага на диапазон от температурни цикли и неговата промяна в структурата е пряко свързана с максималната температура във всеки даден момент, времето на излагане и скоростите на охлаждане, Видовете основен метал са твърде многобройни, за да се дискутират тук, но те могат да бъдат групирани в три класа: (1) материали, които не са засегнати от топлина при заваряване, (2) материали, втвърдени от структурна промяна, (3) материали, втвърдени от процесите на утаяване.

Заваряването произвежда напрежения в материалите. Тези сили се индуцират чрез свиване на заваръчния метал и чрез разширение и след това свиване на зоната, причинена от топлина. Неотопляемият метал налага ограничение на горното и тъй като преобладава свиването, заваръчният метал не може да се свива свободно и в ставата се натрупва напрежение. Това обикновено е известно като остатъчен стрес и за някои критични приложения трябва да се отстрани чрез термична обработка на цялото изделие. Остатъчният стрес е неизбежен при всички заварени конструкции и ако не се контролира накланянето или изкривяването на заваряването ще се случи. Контролът се упражнява чрез заваръчна техника, джиги и приспособления, процедури за производство и окончателна термична обработка.

Има голямо разнообразие от заваръчни процеси. По-долу са разгледани няколко от най-важните.