Vpliv varjenja na kovinsko strukturo

Varjenje je široko uporabljena tehnika za spajanje kovin v različnih panogah, vključno z gradbeništvom, avtomobilsko, vesoljsko in proizvodno industrijo. Čeprav je varjenje nujno za ustvarjanje močnih in trajnih povezav, pa pomembno vpliva tudi na mikrostrukturo kovine. Te spremembe v strukturi kovine lahko vplivajo na njene mehanske lastnosti, vključno z močjo, trdoto, žilavostjo in odpornostjo proti koroziji. Razumevanje, kako varjenje vpliva na strukturo kovin, je ključnega pomena za zagotavljanje celovitosti in učinkovitosti varjenih sestavnih delov. Ta članek obravnava vpliv varjenja na strukturo kovin, vključno s toplotno vplivnim območjem (HAZ), rastjo zrn, faznimi pretvorbami in nastankom napak pri varjenju.
Postopek varjenja in struktura kovine
Varjenje vključuje uporabo toplote za taljenje in spajanje dveh ali več kosov kovine. Postopek običajno vključuje polnilo, ki pomaga premostiti vrzel med osnovnima kovinama in ustvari močno vez, ko se materiali ohladijo in strdijo. Toplota, ki nastane med varjenjem, povzroči lokalne spremembe v mikrostrukturi kovine, zlasti na območju, znanem kot območje toplotnega vpliva (HAZ).
Ključna področja, na katera vpliva varjenje:
- Območje taljenja: To je območje, kjer sta se osnovni kovini in dodajni material stopili in strdili, da bi nastala zvara. Struktura v tem območju se pogosto razlikuje od prvotne osnovne kovine in HAZ.
- Območje toplotnega vpliva (HAZ): V coni, ki je v bližini zvara, se je mikrostruktura osnovne kovine zaradi vročine spremenila, vendar se ni stopila. Obseg HAZ je odvisen od varilnega postopka, dovedene toplote in toplotnih lastnosti kovine.
- Osnovna kovina: Osnovna kovina je prvotni material, na katerega toplota varjenja ni vplivala. Njena mikrostruktura ostane nespremenjena, razen če se uporabijo nadaljnji postopki varjenja ali toplotne obdelave.
Struktura in rast zrn
Eden najpomembnejših vplivov varjenja na strukturo kovine je sprememba velikosti in oblike zrn. Zrna so posamezni kristali, ki sestavljajo kovino, njihova velikost in usmerjenost pa pomembno vplivata na mehanske lastnosti materiala.

1. Rast zrn v coni poškodovanosti:
   o Groba zrna: V HAZ je kovina izpostavljena visokim temperaturam, vendar ne doseže tališča. Zaradi te toplote se lahko zrna v kovini povečajo, zlasti na območjih, ki so najbližje območju taljenja. Groba zrna so na splošno manj zaželena, saj lahko zmanjšajo žilavost kovine in jo naredijo bolj dovzetno za razpoke.
   o drobna zrna: V oddaljenosti od območja zlivanja je temperatura nižja in zrna morda ne rastejo tako močno. Drobna zrna so običajno boljša, ker prispevajo k večji trdnosti in žilavosti kovine.
2. Izboljšanje zrn v varjencu:
   o strjevanje: Ko se staljena kovina v območju taljenja ohladi in strdi, nastanejo nova zrna. Hitrost ohlajanja vpliva na velikost in usmerjenost teh zrn. Pri hitrem ohlajanju nastajajo drobnejša zrna, ki lahko povečajo trdnost in trdoto zvara.
   o Stolpčasta zrna: Pri nekaterih postopkih varjenja, kot je obločno varjenje, lahko zrna v coni taljenja rastejo v obliki stolpcev, pravokotno na varilno linijo. Ta podolgovata zrna lahko vplivajo na mehanske lastnosti zvara in pogosto povzročijo anizotropijo, pri kateri se lastnosti materiala razlikujejo glede na smer strukture zrn.
   Fazne pretvorbe
   Visoke temperature, povezane z varjenjem, lahko povzročijo fazne pretvorbe v kovini in spremenijo njeno kristalno strukturo. Te pretvorbe lahko pomembno vplivajo na lastnosti kovine.
3. Preobrazba jekla:
   o nastanek avstenita: Pri varjenju ogljikovih jekel se kovina pogosto segreva v avstenitno fazo, kjer se atomi železa razporedijo v kubično strukturo s centriranim obrazom (FCC). Pri ohlajanju se lahko avstenit glede na hitrost ohlajanja spremeni v različne faze, kot so martenzit, bainit ali ferit.
   o tvorba martenzita: Hitro ohlajanje (kaljenje) avstenita lahko povzroči nastanek martenzita, trde in krhke faze. Martenzit lahko sicer poveča trdoto zvara, vendar je kovina zaradi njega tudi bolj dovzetna za razpoke, zlasti pri jeklih z visoko vsebnostjo ogljika.
   o kaljenje: Za ublažitev krhkosti martenzita se pogosto uporablja popuščanje (nadzorovano segrevanje in hlajenje), s katerim se del martenzita pretvori v bolj duktilne faze, kot sta popuščeni martenzit ali bainit, kar izboljša žilavost zvara.
4. Aluminijaste zlitine:
   o utrjevanje ob padavinah: Pri nekaterih aluminijevih zlitinah, zlasti tistih iz serij 2xxx, 6xxx in 7xxx, lahko pride do izločitvenega utrjevanja. Varjenje teh zlitin lahko raztopi oborine, ki prispevajo k trdnosti zlitine, kar povzroči izgubo trdote v HAZ. Po varjenju bo morda potrebna toplotna obdelava (PWHT), da se ponovno vzpostavi trdnost materiala s ponovnim izločanjem utrjevalnih faz.
5. Nerjavna jekla:
   o preobčutljivost: Pri avstenitnih nerjavnih jeklih, ki so med varjenjem izpostavljena temperaturam med 450 °C in 850 °C, lahko pride do procesa, imenovanega senzibilizacija. Do tega pride, ko se na mejah zrn oborijo kromovi karbidi, kar osiromaši okoliška območja kroma in zmanjša korozijsko odpornost materiala. Ustrezen nadzor vnosa toplote in toplotna obdelava po varjenju lahko pomagata preprečiti senzibilizacijo.
   Nastanek napak pri varjenju
   Pri varjenju se lahko v kovinsko strukturo vnesejo napake, ki lahko ogrozijo celovitost in zmogljivost varjenega spoja. Razumevanje teh napak in njihovih vzrokov je bistvenega pomena za zagotavljanje kakovosti zvara.
6. Poroznost:
   o ujetje plina: Poroznost nastane, ko se v zvaru med strjevanjem ujamejo mehurčki plina. Vzrok je lahko onesnaženje, neustrezna pokritost z zaščitnim plinom ali prekomerna vlaga v osnovni kovini ali dodajnem materialu. Poroznost oslabi zvar in lahko privede do okvare pod obremenitvijo.
   o Preprečevanje: Zagotavljanje čistih površin, ustreznega pretoka zaščitnih plinov in uporaba suhih polnilnih materialov lahko pomagajo preprečiti nastanek poroznosti. Poleg tega lahko z nadzorom varilnih parametrov za preprečevanje pregrevanja zmanjšamo verjetnost zajetja plina.
7. Razbijanje:
   o Vroče razpokanje: Pojavi se med ohlajanjem in strjevanjem zvara. Pogosto jo povzročijo visoke toplotne napetosti, slaba zasnova zvara ali prisotnost nečistoč, kot sta žveplo ali fosfor, v kovini.
   o Hladno razpokanje: Hladno razpokanje, znano tudi kot razpokanje zaradi vodika, se pojavi, ko se zvar ohladi. Običajno je povezana s prisotnostjo vodika v zvaru, ki lahko povzroči krhek lom, zlasti pri jeklih visoke trdnosti.
   o Preprečevanje: Da bi preprečili nastanek razpok, je treba nadzorovati hitrost ohlajanja, uporabiti ustrezna polnila ter kovino predgreti ali naknadno segreti, da se zmanjšajo preostale napetosti. Pri hladnem pokanju je ključnega pomena čim bolj zmanjšati vsebnost vodika v območju zvara.
8. Izkrivljanje:
   o toplotna razteznost: Pri varjenju nastane velika količina toplote, zaradi česar se kovina med ohlajanjem širi in krči. To toplotno raztezanje lahko povzroči popačenje, deformacijo varjenih sestavnih delov in vpliva na natančnost dimenzij končnega izdelka.
   o Nadzor: Nadzor vnosa toplote, uporaba pravilnega zaporedja varjenja in uporaba pritrdilnih elementov ali sponk lahko pomagajo zmanjšati popačenje. V nekaterih primerih bo morda potrebna toplotna obdelava po varjenju, da se sprostijo preostale napetosti in odpravijo morebitna popačenja.
   Vloga toplotno prizadetega območja (HAZ)
   HAZ je kritično območje pri varjenju, ki se zaradi izpostavljenosti visokim temperaturam bistveno strukturno spremeni. Lastnosti HAZ se lahko zelo razlikujejo glede na material, postopek varjenja in toplotno upravljanje med varjenjem.
9. Metalurške spremembe:
   o Rast zrnja: Kot smo že omenili, se lahko zrna v HAZ zaradi toplote povečajo, kar povzroči zmanjšanje žilavosti in poveča tveganje za nastanek razpok.
   o Fazne spremembe: V HAZ lahko pride do faznih transformacij, podobnih tistim v varjenem območju, zlasti pri kovinah, kot je jeklo. Te spremembe lahko vplivajo na trdoto, trdnost in duktilnost materiala.
10. Mehanske lastnosti:
    o Trdota in moč: V primerjavi z osnovno kovino in zvarom ima HAZ pogosto drugačne mehanske lastnosti. Lahko na primer postane trša in bolj krhka ali pa izgubi trdnost zaradi raztapljanja ojačevalnih faz (kot pri aluminijevih zlitinah, utrjenih z obarjanjem).
    o Odpornost na udarce: Če struktura zrn postane groba ali če nastanejo krhke faze, kot je martenzit, se lahko odpornost HAZ na udarce znatno zmanjša. Zaradi tega je HAZ potencialno šibka točka varjene strukture.
11. Odpornost proti koroziji:
    o senzibilizacija v nerjavnem jeklu: Kot smo že omenili, se lahko senzibilizacija v nerjavnih jeklih pojavi v HAZ, kar povzroči zmanjšanje korozijske odpornosti. Ustrezno upravljanje toplote in obdelava po varjenju sta bistvenega pomena za ohranjanje korozijske odpornosti varjene komponente.
    o Oksidacija: Visoke temperature v HAZ lahko povzročijo tudi oksidacijo, ki lahko poslabša kakovost površine in korozijsko odpornost kovine. V nekaterih primerih je za obnovitev korozijske odpornosti potrebna pasivacija ali zaščitni premazi.
    Obvladovanje vpliva varjenja na kovinsko strukturo
    Za zagotavljanje celovitosti in učinkovitosti varjenih sestavnih delov je bistveno, da s skrbnim nadzorom varilnega postopka in uporabo ustrezne obdelave po varjenju obvladujemo vpliv varjenja na kovinsko strukturo.
12. Upravljanje toplote:
    o Predgrevanje: Predgrevanje kovine pred varjenjem lahko zmanjša toplotne gradiente in zmanjša tveganje nastanka razpok, zlasti pri visokoogljičnih jeklih in debelih profilih.
    o Nadzor temperature med prehodi: Pri varjenju z več prehodi nadzor temperature med prehodi (temperatura med zaporednimi prehodi) pomaga preprečiti pregrevanje in prekomerno rast zrn.
13. Toplotna obdelava po varjenju (PWHT):
    o Sprostitev stresa: PWHT lahko pomaga razbremeniti preostale napetosti v zvaru in HAZ, kar zmanjša tveganje za nastanek razpok in deformacij. Prav tako lahko spodbuja preoblikovanje krhkih faz v bolj duktilne mikrostrukture.
    o normalizacija in žarjenje: Pri teh obdelavah se lahko izboljša struktura zrn in obnovijo mehanske lastnosti kovine. Normalizacija se pogosto uporablja za ogljikova jekla, žarjenje pa za jekla in barvne kovine.
14. Načrtovanje in tehnika varjenja:
    o Skupna zasnova: Ustrezna zasnova spojev lahko zmanjša toplotne napetosti in zmanjša tveganje napak. Na primer, z uporabo obojestranskih ali razmaknjenih zvarov se lahko toplota enakomerneje porazdeli in zmanjša deformacije.
    o Parametri varjenja: Za doseganje visokokakovostnega zvara z minimalnim vplivom na strukturo kovine je ključnega pomena nadzor parametrov, kot so tok, napetost, hitrost premikanja in pretok zaščitnega plina.
15. Nadzor kakovosti in inšpekcijski pregled:
    o Nedestruktivno testiranje (NDT): Za odkrivanje notranjih in površinskih napak v zvaru se lahko uporabljajo metode nedestruktivnega testiranja, kot so ultrazvočno testiranje, radiografsko testiranje in penetracijsko testiranje z barvilom. Redni pregledi pomagajo zagotoviti, da se morebitne težave odkrijejo in takoj odpravijo.
    o Destruktivno testiranje: V nekaterih primerih se lahko za oceno mehanskih lastnosti zvara in HAZ izvede destruktivno preskušanje, kot sta natezni preskus ali Charpyjev udarni preskus.
    Zaključek
    Varjenje močno vpliva na strukturo kovin, na njihove mehanske lastnosti, odpornost proti koroziji in splošno zmogljivost. Razumevanje teh vplivov in njihovo obvladovanje z ustreznimi tehnikami varjenja, toplotno obdelavo in nadzorom kakovosti je bistveno za izdelavo močnih in zanesljivih zvarov.
    S skrbnim nadzorom varilnega postopka in reševanjem izzivov, povezanih z rastjo zrn, faznimi pretvorbami in napakami v zvaru, lahko proizvajalci zagotovijo, da njihovi varjeni sestavni deli izpolnjujejo stroge zahteve sodobnih inženirskih aplikacij. Z nadaljnjim razvojem tehnologije varjenja bodo nove metode in materiali še izboljšali sposobnost obvladovanja vpliva varjenja na kovinsko strukturo, kar bo omogočilo še boljšo zmogljivost in vzdržljivost varjenih izdelkov.