1. Obecná charakteristika a druhy svarových spojů
Svařovaný spoj je trvalé spojení provedené svařováním. Při tavném svařování vznikají ve svarovém spoji různé úseky (obr. 1), zahřívané na různé teploty a lišící se z tohoto důvodu fyzikálními, chemickými a mechanickými vlastnostmi.
Roztavený a vykrystalizovaný kov tvoří svar 1 s litou strukturou; částečně roztavený kov tvoří tavnou zónu 2. Přilehlé oblasti kovu, zahřáté na teploty nad ~ 1000°C, ve kterých dochází ke strukturálním přeměnám a vznikají zbytková napětí, tvoří tepelně ovlivněnou zónu 3. Dále přichází základní kov 4, konstrukce a jejichž vlastnosti se během procesu svařování nemění.
Vzájemná poloha spojovaných prvků určuje typ svarového spoje. Při ručním obloukovém svařování se nejčastěji používají tyto svarové spoje (obr. 2): natupo (a); překrytí (b); T-bar (c); roh (g); boční (d). Spojení na tupo je výhodnější než ostatní kvůli jeho hospodárnosti a lepšímu výkonu. Při provádění tupých spojů jsou svařované hrany předem upraveny. Při svařování tenkých výrobků se okraje ohýbají, aby se zpevnil šev (obr. 2, f, d). Při tloušťce kovu do 8 mm se svařování provádí bez řezání okrajů s mezerou až 2 mm (obr. 2, g). Kov o tloušťce 8-15 mm je svařen jednostranným řezáním okrajů ve tvaru V (obrázek 2, h); tloušťka 15-20 mm – s oboustrannými okraji ve tvaru X (obr. 2, i); tlustší než 20 mm – s jednostranným nebo oboustranným řezáním hrany ve tvaru U.
Proces svařování a kvalita svaru je značně ovlivněna znečištěním kovového povrchu oxidy, mastnými filmy atd. Před svařováním se proto povrchy ke svařování připraví. Kromě eliminace kontaminace povrchu kovu jsou přijímána opatření ke snížení kontaminace během procesu svařování, především oxidů. K tomuto účelu se používají tavidla, strusky, vakuum a ochranné plyny. Svarový spoj musí být stejně pevný jako základní kov a nesmí mu být horší při všech typech zatížení (statické, rázové, cyklické). Stejná síla svarový spoj je dán nepřítomností vnitřních a vnějších vad, jakož i strukturou a vlastnostmi svarového kovu a tepelně ovlivněné zóny.
2. Vady ve svarových spojích
Během procesu svařování mohou ve svarovém kovu a v tepelně ovlivněné oblasti vzniknout různé vady, které snižují pevnost spoje, vedou k netěsnostem ve švech a snižují provozní spolehlivost výrobku. Na základě jejich umístění ve svarovém spoji se vady dělí na vnější a vnitřní. Mezi vnější patří řezy, prověšení, vnější praskliny a plynové póry. Tyto vady lze zpravidla identifikovat při externím vyšetření. Klasifikace hlavních vad ve svarových spojích:
- podřezat je vybrání (drážka) na základním kovu podél linie tavení svaru se základním kovem (obr. 3, a). Typicky je vytvoření podříznutí spojeno s vytvořením velké svarové lázně v důsledku vysokého svařovacího proudu.
- Příliv – jedná se o únik svarového kovu na povrch základního kovu nebo dříve vyrobené housenky bez tavení s ním (obr. 3, b).
- Nedostatek penetrace – místní nedostatek tavení v důsledku neúplného natavení okrajů svařovaných dílů (obr. 3, c, d). Ve většině případů je místo nestavení vyplněno struskou, která díky své tavitelnosti a tekutosti vyplní dutinu vzniklou nedostatkem roztavení. Při obloukovém svařování je vznik nedostatku průvaru spojen s nedostatečným svařovacím proudem. Nedostatek penetrace je jednou z nejnebezpečnějších závad. To je způsobeno skutečností, že při zatížení působí nedostatek penetrace jako koncentrátor napětí. Napětí vznikající v tomto místě mohou být několikanásobně vyšší než průměrná napětí ve výrobku. To vede ke zničení produktu při zatížení výrazně nižším, než je vypočtené. Kromě toho je nedostatek průvaru často doprovázen výskytem obtížně zjistitelných trhlin ve svarovém kovu. Nedostatek průvaru musí být odstraněn svařením vadných oblastí.
- Trhliny — částečné místní zničení (roztržení) ve svaru a/nebo v tepelně ovlivněné zóně. Při svařování mohou vznikat trhliny při krystalizaci (trhliny za horka) a při fázových a strukturních přeměnách v tuhém stavu (praskliny za studena a jiné typy). Vzdělávací mechanismus horké trhliny je následující. Roztavený svarový kov se po odstranění zdroje tepla začne ochlazovat. Při teplotách pod likvidem se začnou v tavenině objevovat krystaly. S dalším ochlazováním se objem, který zaujímají krystality, zvětšuje a samotné krystality se spojují do struktury oddělené vrstvami kapaliny. V tomto stavu je cirkulace kapaliny mezi krystality obtížná. To vede ke snížení deformovatelnosti systému a nebezpečí jeho křehké destrukce vlivem smršťovacích krystalizačních napětí. Destrukce je usnadněna tvorbou precipitátů (segregací) nízkotavných fází (sulfidy, fosfidy, oxidy) na hranicích krystalitů, oslabující vazby mezi rostoucími zrny. Čím širší je teplotní rozsah krystalizace a čím nižší je metalurgická kvalita oceli, tím vyšší je sklon k tvorbě horkých trhlin. Uhlík rozšiřuje rozsah krystalizace a zvyšuje tendenci oceli tvořit horké trhliny. Studené praskliny vznikají při ochlazení svaru pod 200-300°C, hlavně v tepelně ovlivněné zóně. Proces jejich tvorby je zpravidla pomalý, což je činí obzvláště nebezpečnými. Příčinou vzniku studených trhlin jsou vnitřní pnutí vznikající při strukturálních přeměnách (zejména martenzitických) v důsledku lokálního zpevnění oceli. V nízkouhlíkových ocelích, kde je objemový efekt martenzitické přeměny malý, jsou trhliny za studena vzácné. Se zvyšujícím se obsahem uhlíku se zvyšují fázová napětí, což přispívá ke vzniku studených trhlin. U uhlíkových ocelí jsou trhliny za studena nejčastější vadou. Určuje sklon k tvorbě horkých a studených trhlin svařitelnost kovu — schopnost získat svarový spoj o stejné pevnosti jako základní kov. Uhlík a všechny hlavní legující prvky mají negativní vliv na svařitelnost. Oceli s Ceq < 0,45 %, tj. obsahující až ~ 0,25 % C, mají nízký sklon k tvorbě studených trhlin (vysoká svařitelnost). Do této skupiny patří uhlíkové oceli St1 — St4, 05, 08, 10, 15, 20, 25, a také nízkolegované oceli 09G2(D), 14G2, 17GS atd., používané k výrobě různých kovových konstrukcí.
- póry – zaoblené nebo podlouhlé dutiny naplněné plynem. Mohou být mikroskopické a velké (až 4-6 mm). Póry se tvoří ve švech nebo na rozhraní fúze s obecným kovem. Tendence k tvorbě pórů závisí na koncentraci plynu ve svarové lázni, jeho rozpustnosti v pevném nebo tekutém kovu při teplotě krystalizace, rychlosti krystalizace kovu a koeficientu difúze plynu v kapalných a pevných kovech. Odplynění je spojeno s chemickými reakcemi v roztaveném kovu. Díky své nerozpustnosti v železe se při reakci uvolňuje CO ve formě bublin. Snížení rozpustnosti plynu při ochlazování svarové lázně je také příčinou tvorby poréznosti. Při svařování konstrukčních ocelí je hlavním důvodem vzniku pórů špatná dezoxidace svarové lázně.
- Nekovové inkluze – jedná se o vady v podobě cizích částic ve svarovém kovu. Jsou zde struska, tavidlo, oxid a další nekovové vměstky. Struskové inkluze vznikají v důsledku špatného čištění okrajů svařovaných dílů, jakož i nedostatečného úplného odstranění strusky při vícevrstvém svařování. Při tavném svařování se základní kov a elektroda roztaví a vytvoří kapalinu. V důsledku míchání složek v kapalné fázi a následné krystalizace vzniká litá svarová struktura, jejíž chemické složení se liší od složení základního kovu. Uvažujme možné typy chemické heterogenity svarového kovu (liquace). Stejně jako u krystalizace ingotu v licí formě lze rozlišit tři typy segregace: zonální, dendritické a gravitační (podle hustoty). V šicím objemu lze pozorovat zonální likvaci. Jak šev krystalizuje ve směru od hranice fúze ke středu, kov bude obohacen o různé nečistoty, takže chemické složení odlévané struktury nebude v průřezu stejné. Například při svařování oceli ve střední části svaru se může zvýšit koncentrace uhlíku a škodlivých nečistot – síry a fosforu. Kromě zonální segregace lze ve struktuře svaru pozorovat i dendritickou segregaci – heterogenitu chemického složení na průřezu zrna (dendritu). Střed zrna bude obohacen o více žáruvzdorných prvků a mezidendritický prostor, který tuhne jako poslední, bude obsahovat největší množství tavitelných nečistot. Při tavném svařování kovů, které se velmi liší hustotou, je možná gravitační segregace. Horní část švu bude obohacena o lehčí komponenty a spodní o těžší.
3. Studium vad svarových spojů metodami makroskopické analýzy (makroanalýza)
3.1 Obecná charakteristika makroanalýzy
Makroanalýza spočívá ve stanovení makrostruktury kovů a slitin pouhým okem nebo pomocí lupy při malém (20-30násobném) zvětšení. Na rozdíl od mikroanalýzy makroanalýza neumožňuje studovat mikrostrukturu kovu. Makroanalýza se používá ke kontrole kvality kovových dílů vyrobených litím, tvářením, svařováním, řezáním a tepelným zpracováním. Makroanalýza umožňuje určit typ lomu (duktilní, křehký atd.); porušení kontinuity kovu (volnost při smršťování, plynové bubliny, praskliny atd.); dendritická a vláknitá struktura; chemické nehomogenity litého kovu (segregace síry, fosforu a dalších prvků).
Pro provedení makroanalýzy se z části studované části vyrobí vzorek, který se brousí a leptá speciálními činidly. Takový vzorek se nazývá makrosekce. Leštěný povrch musí být zbaven nečistot, oleje atd.
Pro makroleptání se ve srovnání s mikroleptáním používají silnější činidla. Výsledky makroanalýzy lze zaznamenat pořízením fotografie makrostruktury při 0,5 až 20násobném zvětšení.
3.2 Makroanalýza svarových spojů
Makroanalýza umožňuje určit tvar, velikost a dendritickou strukturu svaru, přítomnost různých defektů ve svaru a v základním kovu: nestavení, praskliny, struskové vměstky, plynové póry, segregace uhlíku a škodlivých nečistot (P a S), uvolnění při smršťování.
K identifikaci makrostruktury svarových spojů z nízko a středně uhlíkových ocelí se nejčastěji používají metody povrchového leptání (Heinovo činidlo a Baumanova metoda).
Heinovo činidlo má následující složení: 85 g. chlorid měďnatý CuCl2, 53 g. chlorid amonný NH4CI na 1000 ml vody. Makrořez se otře alkoholem a vyleštěný povrch se ponoří do činidla na 30-60 sekund; v tomto případě dochází k výměnné reakci, při které železo vytlačuje měď z vodného roztoku. Měď se usazuje na povrchu leštěné části. V oblastech, ve kterých nedochází k úplnému rozvinutí výměnné reakce, a proto nejsou dostatečně chráněny mědí (póry, praskliny, nedostatečná penetrace, nekovové vměstky), dochází k leptání. Po naleptání se makrořez z roztoku vyjme, měděná vrstva se odstraní vatou pod tekoucí vodou a vysuší se ofukováním dmychadlem, aby byl řez chráněn před rychlou oxidací na vzduchu.
Tato metoda odhalí póry ve spoji ve svarovém kovu a také oblasti obohacené uhlíkem, sírou a fosforem. Řezy oceli s různým obsahem těchto prvků se leptají odlišně. V oblastech obohacených uhlíkem a fosforem se měď uvolňuje méně intenzivně a méně chrání kovový povrch před leptacím účinkem chloridových solí činidla. V důsledku toho jsou tyto oblasti natřeny tmavší barvou. Nejlepších výsledků se dosahuje makroanalýzou oceli s obsahem do 0,6 % C. U oceli s vysokým obsahem uhlíku se z makrořezu špatně smývají usazeniny mědi. Heinovo činidlo současně odhaluje segregaci síry, protože povaha distribuce síry, fosforu a uhlíku v oceli je téměř stejná.
Pro stanovení segregace síry ve svaru se používá metoda fototisku (Baumanova metoda). Fotografický papír stříbrný brom se navlhčí na světle nebo se ponechá 5-10 minut v 5% vodném roztoku kyseliny sírové a mírně se suší mezi listy filtračního papíru, aby se odstranil přebytečný roztok. Poté se fotografický papír položí na připravenou makrořez a opatrně, aniž by se nechal pohybovat, se zažehlí gumovým válečkem nebo rukou (v gumové rukavici), aby se odstranily případné vzduchové bubliny zbývající mezi papírem a makrořezem (bubliny zanechávají bílé skvrny a maskovat výsledky analýzy). Fotografický papír se ponechá na makrořezu po dobu 3-15 minut.
Inkluze síry (FeS, MnS) přítomné v deponovaném kovu na jeho povrchu reagují s kyselinou sírovou zbývající na fotografickém papíru (jím impregnovaném). Vzniklý sirovodík přímo v místech jeho uvolňování ovlivňuje krystaly bromidu stříbrného fotografické emulze.
Tmavé oblasti sulfidu stříbrného, které se tvoří na fotografickém papíru, ukazují tvar a rozložení sulfidů ve svaru a tepelně ovlivněné zóně. Fotografický papír vyjmutý z makrořezu se promyje pod tekoucí vodou, fixuje se po dobu 20-30 minut v hyposiřičitanovém roztoku, poté se promyje 10 minut ve vodě a vysuší. Pokud svar obsahuje zvýšené množství fosforu, pak v oblastech s výraznou segregací se fosfor účastní reakce s bromidem stříbrným a tvoří tmavě zbarvené fosfidy stříbra.
Kontrola stěn začíná zjištěním konstrukčního řešení budovy, účelu stěn (ohradních, nosných, samonosných), pevnostních charakteristik materiálu, typů spojů stěn (stěnových panelů) s jinými nosné konstrukce: základy, sloupy, podlahy atd. Stěnové panely jsou vyztuženy sítěmi a rámy, obsahují vetknuté díly. Proto se zkoumají jako železobetonové konstrukce se stanovením ochranné vrstvy betonu, umístění a průměru výztuže atd. Používají se přístroje ISM a IZS. Stav výztuže a zapuštěných dílů se odhalí otevřením minimálně na třech místech.
