Vliv svařování na strukturu kovu

Svařování je široce používanou technikou spojování kovů v různých průmyslových odvětvích, včetně stavebnictví, automobilového a leteckého průmyslu a výroby. Svařování je nezbytné pro vytváření pevných a odolných spojů, ale má také významný vliv na mikrostrukturu kovu. Tyto změny ve struktuře kovu mohou ovlivnit jeho mechanické vlastnosti, včetně pevnosti, tvrdosti, houževnatosti a odolnosti proti korozi. Pochopení toho, jak svařování ovlivňuje strukturu kovů, je zásadní pro zajištění integrity a výkonnosti svařovaných součástí. Tento článek se zabývá vlivem svařování na strukturu kovů, včetně tepelně ovlivněné zóny (HAZ), růstu zrn, fázových přeměn a vzniku vad svarů.
Proces svařování a struktura kovu
Svařování spočívá v použití tepla k roztavení a spojení dvou nebo více kusů kovu. Proces obvykle zahrnuje přídavný materiál, který pomáhá překlenout mezeru mezi základními kovy a vytváří pevný spoj, když materiály vychladnou a ztuhnou. Teplo vznikající při svařování způsobuje lokální změny v mikrostruktuře kovu, zejména v oblasti známé jako tepelně ovlivněná zóna (HAZ).
Klíčové oblasti ovlivněné svařováním:
- Zóna tavení: Jedná se o oblast, kde se základní kovy a přídavný materiál roztavily a ztuhly a vytvořily svar. Struktura v této zóně se často liší od struktury původního základního kovu i HAZ.
- Tepelně ovlivněná zóna (HAZ): HAZ je oblast přiléhající ke svaru, kde se mikrostruktura základního kovu vlivem tepla změnila, ale neroztavila. Rozsah HAZ závisí na svařovacím procesu, příkonu tepla a tepelných vlastnostech kovu.
- Základní kov: Základní kov je původní materiál, který nebyl ovlivněn teplem při svařování. Jeho mikrostruktura zůstává nezměněna, pokud nejsou použity následné procesy svařování nebo tepelného zpracování.
Struktura a růst zrna
Jedním z nejvýznamnějších dopadů svařování na strukturu kovu je změna velikosti a tvaru zrn. Zrna jsou jednotlivé krystaly, které tvoří kov, a jejich velikost a orientace významně ovlivňují mechanické vlastnosti materiálu.

1. Růst zrn v HAZ:
   o Hrubá zrna: V HAZ je kov vystaven vysokým teplotám, ale nedosahuje bodu tání. Toto teplo může způsobit zvětšení zrn v kovu, zejména v oblastech nejblíže zóně tavení. Hrubá zrna jsou obecně méně žádoucí, protože mohou snížit houževnatost kovu a zvýšit jeho náchylnost k praskání.
   o Jemná zrna: Zrnka jsou dále od zóny tavení, teplota je nižší a zrnka nemusí tolik růst. Jemná zrna jsou obvykle preferována, protože přispívají k vyšší pevnosti a houževnatosti kovu.
2. Zušlechťování zrn ve svaru:
   o Ztuhnutí: Při ochlazování a tuhnutí roztaveného kovu v zóně tavení vznikají nová zrna. Rychlost ochlazování ovlivňuje velikost a orientaci těchto zrn. Při rychlém ochlazování vznikají spíše jemnější zrna, která mohou zvýšit pevnost a tvrdost svaru.
   o Sloupcovitá zrna: Při některých svařovacích procesech, například při obloukovém svařování, mohou zrna v zóně tavení růst sloupcovitě, kolmo na linii svaru. Tato podlouhlá zrna mohou ovlivnit mechanické vlastnosti svaru, což často vede k anizotropii, kdy se vlastnosti materiálu liší v závislosti na směru struktury zrn.
   Fázové přeměny
   Vysoké teploty spojené se svařováním mohou způsobit fázové přeměny kovu a změnit jeho krystalickou strukturu. Tyto přeměny mohou mít významný vliv na vlastnosti kovu.
3. Transformace oceli:
   o Austenitová formace: U uhlíkových ocelí se při svařování kov často zahřívá do austenitické fáze, kde se atomy železa uspořádají do kubické struktury s centrovaným povrchem (FCC). Po ochlazení se austenit může v závislosti na rychlosti ochlazování přeměnit na různé fáze, jako je martenzit, bainit nebo ferit.
   o tvorba martenzitu: Rychlé ochlazení (kalení) austenitu může vést k tvorbě martenzitu, tvrdé a křehké fáze. Martenzit sice může zvýšit tvrdost svaru, ale zároveň zvyšuje náchylnost kovu k praskání, zejména u ocelí s vysokým obsahem uhlíku.
   o kalení: Pro zmírnění křehkosti martenzitu se často používá popouštění (řízený ohřev a chlazení), které přemění část martenzitu na tvárnější fáze, jako je temperovaný martenzit nebo bainit, čímž se zlepší houževnatost svaru.
4. Slitiny hliníku:
   o Zpevnění srážek: Některé hliníkové slitiny, zejména slitiny řad 2xxx, 6xxx a 7xxx, mohou podléhat srážecímu kalení. Svařováním těchto slitin může dojít k rozpuštění precipitátů, které přispívají k pevnosti slitiny, což vede ke ztrátě tvrdosti v HAZ. K obnovení pevnosti materiálu opětovným vysrážením zpevňujících fází může být nutné tepelné zpracování po svařování (PWHT).
5. Nerezové oceli:
   o Senzibilizace: Při vystavení austenitických nerezových ocelí teplotám mezi 450 °C a 850 °C během svařování může dojít k procesu zvanému senzibilizace. K tomu dochází, když se na hranicích zrn vysráží karbidy chromu, čímž se ochudí okolní oblasti o chrom a sníží se korozní odolnost materiálu. Správná kontrola tepelného příkonu a tepelné úpravy po svařování mohou pomoci senzibilizaci zabránit.
   Tvorba defektů svaru
   Svařování může do kovové konstrukce vnést vady, které mohou ohrozit integritu a funkčnost svarového spoje. Porozumění těmto vadám a jejich příčinám je nezbytné pro zajištění kvality svaru.
6. Pórovitost:
   o zachycení plynu: Pórovitost vzniká, když se ve svaru při tuhnutí zachytí bublinky plynu. To může být způsobeno znečištěním, nesprávným pokrytím ochranným plynem nebo nadměrnou vlhkostí základního kovu nebo přídavného materiálu. Pórovitost oslabuje svar a může vést k jeho selhání při zatížení.
   o Prevence: Pórovitosti lze zabránit zajištěním čistých povrchů, správným průtokem stínicího plynu a použitím suchých výplňových materiálů. Kontrola svařovacích parametrů, která zabrání přehřátí, může navíc snížit pravděpodobnost zachycení plynu.
7. Cracking:
   o Krakování za tepla: K tomuto jevu dochází během chladnutí a tuhnutí svaru. Často je způsobeno vysokým tepelným namáháním, špatnou konstrukcí svaru nebo přítomností nečistot, jako je síra nebo fosfor v kovu.
   o Praskání za studena: K praskání za studena dochází po ochlazení svaru. Obvykle souvisí s přítomností vodíku ve svaru, což může vést ke křehkému lomu, zejména u vysokopevnostních ocelí.
   o Prevence: Pro prevenci vzniku trhlin je nezbytné kontrolovat rychlost chlazení, používat vhodné výplňové materiály a předehřívat nebo dodatečně ohřívat kov, aby se snížila zbytková napětí. Pro vznik trhlin za studena je rozhodující minimalizovat obsah vodíku v oblasti svaru.
8. Zkreslení:
   o Tepelná roztažnost: Při svařování vzniká značné množství tepla, které způsobuje roztahování a smršťování kovu při jeho ochlazování. Tato tepelná roztažnost může vést k deformaci, deformaci svařovaných součástí a ovlivnit rozměrovou přesnost konečného výrobku.
   o Kontrola: Kontrola přívodu tepla, použití správných svařovacích postupů a použití přípravků nebo svorek může pomoci minimalizovat deformace. V některých případech může být nutné tepelné zpracování po svařování, aby se uvolnila zbytková napětí a odstranilo případné zkreslení.
   Úloha tepelně ovlivněné zóny (HAZ)
   HAZ je kritická oblast při svařování, kde dochází k významným strukturálním změnám v důsledku působení vysokých teplot. Vlastnosti HAZ se mohou značně lišit v závislosti na materiálu, procesu svařování a tepelném řízení během svařování.
9. Metalurgické změny:
   o Růst zrna: Jak již bylo zmíněno, zrna v HAZ se mohou vlivem tepla zvětšovat, což vede ke snížení houževnatosti a zvýšení rizika vzniku trhlin.
   o Změny fází: Zejména u kovů, jako je ocel, může dojít k fázovým přeměnám podobným těm, které probíhají v zóně svaru. Tyto změny mohou ovlivnit tvrdost, pevnost a tažnost materiálu.
10. Mechanické vlastnosti:
    o tvrdost a pevnost: HAZ často vykazuje odlišné mechanické vlastnosti ve srovnání se základním kovem a svarem. Může být například tvrdší a křehčí nebo může ztrácet pevnost v důsledku rozpouštění zpevňujících fází (jako u srážením vytvrzených hliníkových slitin).
    o Odolnost proti nárazu: Odolnost HAZ proti nárazu se může výrazně snížit, pokud se struktura zrn stane hrubou nebo pokud se vytvoří křehké fáze, jako je martenzit. Tím se HAZ stává potenciálně slabým místem svarové struktury.
11. Odolnost proti korozi:
    o senzibilizace v nerezové oceli: Jak již bylo zmíněno, v nerezových ocelích může dojít k senzibilizaci v HAZ, což vede ke snížení korozní odolnosti. Pro zachování korozní odolnosti svařované součásti je nezbytné správné řízení tepla a ošetření po svařování.
    o Oxidace: Vysoké teploty v HAZ mohou také vést k oxidaci, která může narušit povrchovou úpravu a odolnost kovu proti korozi. V některých případech může být k obnovení korozní odolnosti nutná pasivace nebo ochranné povlaky.
    Řízení vlivu svařování na kovovou konstrukci
    Aby byla zajištěna integrita a výkonnost svařovaných součástí, je nezbytné řídit vliv svařování na kovovou strukturu prostřednictvím pečlivé kontroly svařovacího procesu a použití vhodných úprav po svařování.
12. Řízení tepla:
    o Předehřev: Předehřátí kovu před svařováním může snížit tepelné gradienty a minimalizovat riziko vzniku trhlin, zejména u ocelí s vysokým obsahem uhlíku a silných profilů.
    o Řízení teploty mezi průchody: U víceprůchodového svařování pomáhá kontrola teploty mezi průchody (teplota mezi po sobě jdoucími průchody svaru) zabránit přehřátí a nadměrnému růstu zrn.
13. Tepelné zpracování po svařování (PWHT):
    o odbourávání stresu: PWHT může pomoci zmírnit zbytková napětí ve svaru a HAZ, čímž se sníží riziko vzniku trhlin a deformace. Může také podpořit přeměnu křehkých fází na tvárnější mikrostruktury.
    o Normalizace a žíhání: Tyto úpravy mohou zjemnit strukturu zrna a obnovit mechanické vlastnosti kovu. Normalizace se často používá pro uhlíkové oceli, zatímco žíhání lze použít pro oceli i neželezné kovy.
14. Konstrukce a technika svařování:
    o Společný návrh: Správný návrh spoje může minimalizovat tepelné namáhání a snížit riziko vzniku vad. Například použití oboustranných svarů nebo stupňovitých svarů může rovnoměrněji rozložit teplo a snížit deformace.
    o Parametry svařování: Pro dosažení kvalitního svaru s minimálním dopadem na strukturu kovu je zásadní kontrola parametrů, jako je proud, napětí, rychlost pohybu a průtok ochranného plynu.
15. Kontrola kvality a inspekce:
    o nedestruktivní zkoušení (NDT): NDT metody, jako jsou ultrazvukové zkoušky, radiografické zkoušky a penetrační zkoušky barvivem, lze použít k odhalení vnitřních a povrchových vad svaru. Pravidelná kontrola pomáhá zajistit, aby byly případné problémy včas identifikovány a řešeny.
    o Destruktivní testování: V některých případech mohou být provedeny destruktivní zkoušky, jako je zkouška tahem nebo Charpyho rázová zkouška, za účelem posouzení mechanických vlastností svaru a HAZ.
    Závěr
    Svařování má zásadní vliv na strukturu kovů, ovlivňuje jejich mechanické vlastnosti, odolnost proti korozi a celkovou výkonnost. Pochopení těchto vlivů a jejich řízení pomocí správných svařovacích technik, tepelného zpracování a kontroly kvality je nezbytné pro výrobu pevných a spolehlivých svarů.
    Pečlivou kontrolou svařovacího procesu a řešením problémů spojených s růstem zrn, fázovými přeměnami a vadami svarů mohou výrobci zajistit, aby jejich svařované součásti splňovaly přísné požadavky moderních technických aplikací. S dalším rozvojem svařovacích technologií budou nové metody a materiály dále zvyšovat schopnost řídit vliv svařování na strukturu kovu, což povede k ještě lepšímu výkonu a trvanlivosti svařovaných výrobků.