Obrazovanje šava i zone uticaja toplote
Taj proces okarakterisan je toplotnim ciklusom. U svakoj tački zone okolo šava temperatura najprije raste, dostižući maksimum, a zatim se smanjuje što je tačka bliže rasporedjena do granice stapanja, time brže dolazi do zagrijavanja metala u dotičnoj dionici i time je viša maksimalna temperatura, koja se postiže u njemu. Pri značajnom udaljenju od šava do zagrijavanja osnovnog metala praktično ne dolazi .
Na taj način, različite dionice osnovnog metala karakterišu se različitim maksimalnim temperaturama i različitim brzinama zagrijavanja i hladjenja , tj. podvrgavaju se odgovarajućoj toplotnoj obradi. Zato su struktura i osobine osnovnog metala u različitim dionicama zavarenog spoja različite .
Zona osnovnog metala, u kojoj je došlo, pod uticajem toplotnog ciklusa zavarivanja, do faznih i strukturnih promjena, nosi naziv zona uticaja toplote. Karakter tih preobražaja i širina zone uticaja toplote zavise od sastava i toplotno-fizičkih osobina zavarivanog metala, postupka i režima zavarivanja, tlpa zavarenog spoja itd.
Na slici 6 prikazan je poprečni presjek sučeonog zavarenog spoja pri jednoslojnom zavarivanju niskougljeničnog čelika, kriva raspodjele temperatura po površini zavarenog spoja u momentu kada se metal šava nalazi u rastopljenom stanju i strukture različitih dionica zone uticaja toplote spoja poslije zavarivanja, obrazovane zbog uticaja toplotnog ciklusa zavarivanja. Ta šema je uslovna, pošto kriva raspodjele temperatura po površini zavarenog spoja za vrijeme hladjenja mijenja svoj karakter.
U dionici nepotpunog rastapanja zapremine metala se zagrijavaju u intervalu temperatura izmedju solidusa i likvidusa, što dovodi čo djelimičnog rastapanja zrna metala. Prostor izmedju nerastopljenih zrna popunjen je tečnim medjuslojevima, koji su povezani sa metalom rastopa. Zato u njega mogu da dospiju i elementi, koji se uvode u metal rastopa, pa se sastav metala u tom dijelu može razlikovati od sastava osnovnog metala, a, na račun nerastopljenih zrna osnovnog metala, i od sastava metala šava.
Slojevita likvacija potpomaže povećanje hmijske nehomogenosti metala na tom dijelu u poredjenju sa metalom šava. Sastav i struktiira metala u toj zoni zavise, takodje, od difuzije elemenata, koja može da protiče, kako od osnovnog metala prema tečnon, tako i suprotno. Ta dionica (poznata kao okološavna zona) u suštini se pojavljuje kao mjesto zavarivanja. Njena širina zavisi od sastava i osobina osnovnog metala, postupka zavarivanja i obično ne prelazi 0,5 mm, ali osobine metala u njoj mogu da imaju odlučujući uticaj na osobine cjelokupnog zavarenog spoja.
U dionici pregrijavanja. metal ee zagrijava u intervalu temperatura od 1100 (1150)°C do linije solidusa. Metal, zagrijan iznad temperature A3, potpuno prelazi u stanje austenita pri čemu dolazi do porasta zrna , čije dimenzije se povećavaju tim više što je temperatura metala viša. Čak i kratkotrajan boravak metala na temperaturama iznad 1000oC dovodi do značajnog povećanja veličine zrna. Krupnozrnasta struktura metala u toj dionici pregrijavanja, posle hlađenja, može dovesti do obrazovanja vidmanštatenove strukture.
Metal, zagrijan neznatno iznad temperature A3, ima finozrnastu strukturu sa visokim mehaničkfm osobinama. Ta dionica poznata je pod nazivom kao dionica normalizacije (pre-krstalizacije). U dionici nepotpune prekristalizacije metal se zagrijava do temperature izmedju Al i A3. Zato se on odlikuje skoro nepromijenjenim feritnim zrnom i odredjenim usitnjenjem i sferodizacijom perlitnih dijelova.
Metal, zagrijan.u intervalu temperatura od 500 (550)°C do Al (dionica rekristalizacije), po strukturi se neznatno, razlikuje od osnovnog. Ako je, prije zavarivanja, metal bio podvrgnut hladnoj plastičnoj deformaciji, tada, pri zagrijavanju, u njemu dolazi do spajanja usitnjenih zrna osnovnog metala, tj. do rekristalizacije. Pri značajnom držanju ne tim temperaturama, može doći do znatnog rasta zrna. Mehaničke osobine metala te dionice mogu se nešto smanjiti usled eliniminisanja deformacionog ojačavanja.
Pri zagrijavanju metala u intervalu temperatura od 100 do 500oC(dionice starenja), njegova struktura ne trpi promjene u procesu zavarivanja. Medjutim, u nekim čelicima, koji sadrže povećanu količinu kiseonika i azota (obično neumireni), njihovo zagrijavanje u intervalu od 150 do 350o C praćeno je oštrim smanjenjem udarne žilavosti i otpornosti prema lomu.
Višeslojno zavarivanje, zbog višestrukog uticaja toplotnog ciklusa zavarivanja na osnovni metal, mijenja sastav i strukturu zone uticaja toplote. Pri zavarivanju dugačkim dionicama, poslije svakog docnijeg prolaza, prethodni zavar se podvrgava odgovarajućem otpuštanju. Pri zavarivanju kratkim dionicama, šav i zona osnovnog metala oko šava nalaze se duže vrijeme u zagrijanom stanju. Pored promjene strukture, to povećava i širinu zone uticaja toplote. Docniji slojevi toplotno utiču na prethodno nanijete zavare, koji imaju strukturu livenog metala, stvarajući u njima zonu uticaja toplote. Sastav i struktura te zone znatno se razlikuju od zone uticaja toplote u osnovnom metalu, koji je podvrgnut valjanju..Ona obično nema krupno zrno u dionici pregrijavanja i karakteriše se sitnozrnastom strukturom sa povćanim osobinama plastičnosti .
Kao osnovni faktor, koji odredjuje_konačnu strukturu metala u pojedinim dionicama zone uticaja toplote poslije zavarivanja, pojavljuje se toplotni ciklus, kojem je bio podvrgnut metal te dionice pri zavarivanju. Kao odlučujući faktor tcplotnog ciklusa zavarivanja pojavljuju se maksimalna temperatura, koja je postignuta u metalu i brzina njegovog hladjenja. Širina i konačna struktura različitih dionica zone uticaja toplote određjene su postupkom i režimom za-varivanja, sastavom i debljinom osnovnog metala. Ukupna širina zone uticaja toplote dostiže 30 mm. Pri upotrebi koncentrisanijih izvora toplote širina zone je manje.
Razmotrena podjela zone uticaja toplote je približna. Pri prelazu od jedne strukturne dionice na drugu, postoje i medjustrukture. Osim toga, dijagram Fe-C je razmatran statički u nekom momentu postojanja rastopa. U stvarnosti, tenperatura se u tačkama zone uticaja toplote mijenja sa vremenom u saglasnosti sa toplotnim ciklusom zavarivanja.
Povećanje čvrstoće niskolegiranih čelika postiže se njihavim legiranjem elementima koji se rastvaraju u feritu i usitnjtavaju perlitnu komponentu. Prisustvo tih elemenata otežava proces raspadanja austenita pri hladjenju i djeluje istovjetno kao odredjeno povećanje brzine hladjenja. Zato pri zavarivanju, u zoni uticaja toplote u dionici gdje se metal zagrijavao iznad tremperature Al, pri povećanim brzinama hladjenja, može doći do ohrazovanja zakaljenih struktura. Metal koji je zagrijan do temperatura znatno iznad A3 imaće grubozrnastiju strukturu.
Pri zavarivanju termički ojačanih čelika, u dionicama rekristalizacije i starenja može da dodje do otpuštanja metala sa obrazovanjem strukture sorbita otpuštanja i smanjenjem karakteristika čvrstoće metala. Tehnologija izrade zavarenih konstrukcija ad niskolegiranih čelika treba da uzima u obzir minimalnu magućnost pojave zakaljenih struktura u zoni uticaja toplote, pošto te strukture mogu da dovedu do pojave hladnih pukotina, posebno pri zavarivanju metala velikih debljina. Pri zavarivanju termički ojačanih čelika, treba preduzimati mjere spriječavanje smanjenja čvbrstoće na dionici otpuštanja.