1.Procesy metalurgiczne (utlenianie, redukcja, odsiarczanie, odfosfarzanie, rozpuszczanie i wydzielanie gazów, wodór, azot i tlen w procesie spawania, krystalizacja spoiny, pęcherze gazowe) - Krystalizacja - do zapoczątkowania potrzeba przechłodzenia (największe jest w tylnej części jeziorka) tylko o kilka stopni °C. Zarodkami są tu nadtopione ziarna metalu podstawowego stykające się z jeziorkiem. Kierunek narastania kryształów, tj. ich kształt zależy od kształtu jeziorka i v spawania (rys. A i B). Dla małych v jeziorko to ~elipsa - zmienny kierunek krystalizacji (strzałki) zmniejsza skłonność do tworzenia pęknięć gorących w spoinie. Dla dużych v jeziorko to ~łezka - stały kierunek krystalizacji, co sprzyja wydzielaniu się błonek eutektycznych (FeS) w strefie tzw. transkrystalizacji, co może prowadzić do pęknięć gorących. Rodzaje kryształów: kolumnowe - spoiny z czystych metali (min. domieszek), nie wykazują wyraźnej wewnętrznej niejednorodności chemicznej, kolumnowo-dendrytyczne - w spoinach stopów, mają wyraźną wewnętrzną krystaliczną segregację chemiczną. Zjawiska uboczne przy krystalizacji: wydzielanie gazów co tworzy pory i pęcherze, wydzielanie się i tworzenie wtrąceń niemetalicznych, tworzenie się pęknięć przez naprężenia i obniżoną spoistość metalu spoiny. Rodzaje struktur podczas krzepnięcia: S. pierwotna - powstaje podczas przechłodzenia ze stanu ciekłego w stan stały, może być różna dla stali o tym samym składzie chemicznym, tj. o innych właściwościach, np. wytrzymałościowych. Dla metali, które nie podlegają przemianom alotropowym zostaje ona zachowana aż do temp. otoczenia. S. wtórna - powstaje w trakcie przemian strukturalnych zachodzących w stanie stałym. Spoiny ogólnie mają strukturę metalu lanego - gorszą od metalu przerabianego plastycznie.
2.Cykl cieplny spawania - def. charakterystyczne zmiany T(t) w każdym punkcie ciała znajdującego się w zasięgu oddziaływania spawalniczego pola temperatur. Znajomość tych cykli T(t) w punktach SWC pozwala określić strukturę w pobliżu tych punktów i pozwalają też na utworzenie wykresów CTPc-S (tj. wykres przemiany austenitu przy chłodzeniu ciągłym dla warunków spawalniczych). Dzielą się na (rys.): cykl cieplny prosty - przy spawaniu jednowarstwowym, złożony - przy spawaniu wielowarstwowym, gdy kolejne cykle się na siebie nakładają. Ogólnie cykle te różnią się od cykli cieplnych typowej obróbki cieplnej: b. dużą szybkością nagrzewania i krótkim czasem przebywania w wysokiej temp., zróżnicowanymi wartościami temp. maks. (szybko się je osiąga i krótko w nich przetrzymuje), dużym gradientem wzrostu temp. i szybkości chłodzenia, wzajemnym nakładaniem się dwóch lub więcej cykli cieplnych przy spawaniu wielowarstwowym. To co wypływa na kształt cykli c.s.: metoda spawania, parametry spawania, temp. początkowa elementu (t. otoczenia, t. wstępnego podgrzania), pojemność cieplna i przewodnictwo c. materiału, masa, grubość i wzajemne usytuowanie elementów (rodzaj złącza).
3.Strefa wpływu ciepła, jej struktura, czas t8/5 - SWC - Obszar materiału spawanego, gdzie cykle c.s. wywołują zmiany struktury. W metalach bez przemian alotropowych (miedź, nikiel) i fazowych zmiany w SWC to tylko zmiana wielkości ziarna. Powyżej pewnej temp. krytyczniej ziarno zaczyna rosnąć. Problem jest, gdy przy przechłodzeniu nie chce się rozdrobnić, np. przy stalach chromowo-niklowych lub wysokochromowych ferrytycznych, bo brak przemian alotropowych - to daje marne wł. plastyczne i niską udarność. W metalach przechodzących zmiany alotropowe lub fazowe SWC ma złożoną budowę, tj. ma kilka obszarów o różnej strukturze i wł. Np. w złączach stali konstr niskowęglowych lub niskostopowych. Obszary w SWC: O. częściowego roztopienia - między materiałem pdst, który w procesie uległ nadtopieniu a jeziorkiem, struktura gruboziarnista, słabe wł. plast., tu tworzą się struktury hartownicze typu bainit, martenzyt. O. przegrzania - gdy nagrzanie > 1000-1100°C, rozrost ziaren γ (nie rozdrobni się przy przechłodzeniu), struktura Widmannstättena, ferryt nie tylko na granicy ziaren austenitu, ale też w środku w postaci igieł, niskie wł. plast., wysoka twardość i kruchość, duża podatność na pęknięcia - wł. użytkowe tego obszaru decydują o wł. użytkowych całego złącza. O. normalizacji - temp. od A3 - (1000)1100°C, zachodzi całkowita austenityzacja i rozdrobnienie ziarna w strukturze, w zależności od %C i v chłodzenia mogą być tu różne struktury, tj. gdy małe %C i v to struktura dwufazowa ferrytyczno-perlityczna o dobrych wł. plast. a gdy duże %C i v, to struktury hartownicze. O. niepełnej normalizacji - temp. A1 - A3. Austenityzacja perlitu ze struktury materiału pdst, ferryt przemienia się tylko częściowo i właściwie jego forma jest identyczna jak w materiale pdst. Przechłodzony austenit powstały z perlitu zmienia się w drobnoziarnistą strukturę ferrytu i perlitu. Ostatecznie struktura to ferryt o różnej wielkości ziarnie. SWC to najbardziej krytyczny obszar złącza. Na jej strukturę (przemiany fazowe) wpływają warunki chłodzenia (szybkość - opisywana t8/5), które zależą od parametrów i warunków spawania oraz kształtu i wymiarów złącza. czas t8/5 - czas stygnięcia złącza od 800°C do 500°C. Do wzorów: T0 - temp. początkowa elementu (podgrzania wstępnego lub międzyściegowa), E - en. liniowa spawania (EDC = U*I/v, EAC = U*I*cosϕ/v), U - napięcie, I - natężenie, v - prędkość spawania, cosϕ - wsp. mocy,
K2 - wsp. względnej sprawności procesu spawania, F - wsp. kształtu złącza, t - grubość el.
4.Pęknięcia na zimno i zwłoczne, przebieg, przyczyny, zapobieganie - głównie przez obecność wodoru, powstają po zakończeniu spawania (nawet kilka godzin po) w temp. < 300°C. Częściej są w SWC niż spoinie. Powstają przez równoczesne wystąpienie: kruchej mikrostruktury w SWC lub spoinie (martenzyt), wodoru dyfundującego, wysokich naprężeń rozciągających. Pęknięciom zapobiega się przez: odpowiedni dobór warunków spawania (E, temp. wstępnego podgrzania, takie t8/5, żeby był korzystny dla wł. złącza), żeby ograniczyć udział struktur hartowania i ułatwić dyfuzję wodoru; zmniejszenie ilości wodoru dyfundującego przez stosowanie niskowodorowych procesów spawania (elektrody zasadowe, spawanie pod gazami ochronnymi, SAW z odpowiednimi topnikami), usunięcie wilgoci z obszaru spawania i materiałów dodatkowych i zapewnienie czystości łączonych brzegów; prawidłowe rozwiązanie konstrukcyjne, tj. przygotowanie brzegów (odstęp rowka w grani), zachowanie odpowiedniej kolejności spawania i układania ściegów; przy spawaniu el o dużym utwardzeniu i skłonności do hartowania (wyższe CE) używa się elektrody austenityczne, bo dają bardziej plastyczne stopiwo i rozpuszczają w sobie więcej H, który już nie dyfunduje dalej w SWC; przy grubych el rośnie zawartość H i tak, więc stosuje się wyżarzanie odwodorywujące (przerywanie procesu spawania i wygrzewanie złącza w temp. ok. 350°C przez 2h)
5.Pęknięcia na gorąco, przebieg, przyczyny, zapobieganie - przez wtrącenia o niższej temp. top. (najczęściej siarkowe FeS), powstają podczas stygnięcia w zakresie wysokich temp., tj. od temp. solidusu ok. 800°C. Powstają w spoinie jak i SWC. Przyczyną jest utrata w wysokich temp zdolności do odkształceń metalu i spadek wytrzymałości technologicznej. Skłonność do tych pęknięć zależy od: składu chemicznego, temperatury i prędkości odkształcenia. Dzielą się na krystalizacyjne i likwacyjne. Krystalizacyjne - przez obecność siarki (łączy się ona z żelazem i tworzy eutektyki o temp. top. niższej od temp. top. metalu pdst). Wydzielają się kryształy czystego metalu i wraz z ochłodzeniem narastają od pow. wtopienia w kierunku środka spoiny, dzięki czemu wypychają zanieczyszczenia o niższej temp. top. w przestrzenie międzydendrytyczne i one krzepną jako ostatnie. Podczas stygnięcia materiał nabiera wytrzymałości, ale nie ma ciągliwości (rys) przez te zanieczyszczenia między ziarnami i gdy wystąpią naprężenia rozciągające σ1 (np. przy skurczu stygnącego metalu) to łatwo o pęknięcie gorące. Zapobiega się przez stosowanie manganu, który przechwytuje siarkę i wywala na żużel. Krzem też spoko. Lepiej jak mały h/b bo inaczej łatwiej o pęknięcie. Lepiej też małe v spawania, bo krystalizacja dendrytów nie wypchnie syfów na środek. Pęknięcia liwacyjne - w SWC. Stale mają wtrącenia siarczków same w sobie (ukierunkowane w pasemka przez walcowanie), ich temp. top. jest niższa od temp. solidusu stali, więc część siarczków rozpuszcza się w obszarze SWC i cienkie warstewki cieczy migrują do granic ziaren. Te błonki obniżają wytrz. kohezyjną granic i powodują sieć mikropęknięć, gdy zadziała się naprężeniami rozciągającymi (od samego skurczu stali przy chłodzeniu). Zapobieganie przez: zapewnienie wymaganego stosunku Mn/S w spoinie i minimalizacja %S, stosowanie parametrów spawania dających spoiny o korzystnym kształcie i sposobie krystalizacji (niskie v), zmniejszanie naprężeń w złączach
6.Pęknięcia lamelarne i kruche, (przebieg, przyczyny, zapobieganie) - przez rozwalcowane wtrącenia siarczkowe i naprężenia działające w kierunku grubości spawanych el. Wtrącenia siarczkowe obniżają wł. plast. blachy w kierunku jej grubości i pod wpływem naprężeń skurczowych spoin (działających prostop. do pow. blachy) powodują pęknięcia o przebiegu schodkowym. Powstają w sztywnych złączach teowych i krzyżowych ze spoinami pachwinowymi i czołowymi w SWC i materiale rodzimym. Zapobiega się przez: stosowanie stali o wymaganej odp. na pęknięcia lamelarne, przestrzeganie odpowiednich zaleceń konstrukcyjnych i technologicznych (powiększenie pow. wtopienia, zmniejszenie objętości spoiny - mniejsze siły skurczu, zmniejszenie liczby ściegów, kolejność układania ściegów naśladująca buforowanie (napawanie), symetryczny układ ściegów, włączenie pełnej grubości wyrobu, napawanie pow. blachy spoiwem dającym stopiwo o dobrych wł. plast.
7.Spawalność, definicje, metody oceny - spawalność ∈ {spajalność}. Def. Przydatność metalu o danej wrażliwości na spajanie (tu: spawanie), do utworzenia w danych warunkach spajania (tu: spawania) złącza metalicznie ciągłego o wymaganej użyteczności. Czynniki wpływające na wrażliwość na spawanie: skład chemiczny stali (równoważnik węgla Ce = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cr)/15, gdy ↑ Ce, to ↑ HV i ↓ spawalność), sposób prowadzenia wytopu stali, stopień jej zanieczyszczenia wtrąceniami niemetalicznymi, rodzaj wtrąceń i ich rozmieszczenie, struktura stali wynikająca z przeróbki plastycznej i obróbki cieplnej. Warunki spawania - zespół czynników technologicznych i konstrukcyjnych, które oddziałują na złącze podczas jego wykonania. Czynniki technologiczne wpływające na warunki spawania: metoda spawania, średnica materiału spoiwa, temp. spawanego elementu, temp. otoczenia, v spawania. Czynniki konstrukcyjne: grubość, kształt, stopień utwierdzenia el spawanych, rodzaj złącza, granica pl Re materiału podstawowego oraz stopiwa. Użyteczność - gdy dla stali można uzyskać złącze o wymaganej użyteczności bez szczególnych ograniczeń warunków spawania (konieczność spawania różnymi metodami, kosmicznymi parametrami, z dodatkowymi zabiegami technol. typu podgrzewanie wstępne), to taką stal można uznać za mało wrażliwą na proces spawania = jest łatwo spawalna. Możliwość wykorzystania złącza w danych warunkach ekspl. stwarzają kryteria dla oceny spawalności.
8.Problemy metalurgiczne spawania stali wysokostopowych, wykres Schäflera, - Problemy przy mikrostopowych: zmniejszona pl. spoiny i SWC (bo duża gęstość i dyspersyjność węglików i azotków), pękanie lamelarne (nadmierne wydłużenie wtrąceń niemetalicznych w wyniku walcowania stali w niskich temp. i z dużymi stopniami zgniotu). Problemy przy ulepszonych cieplnie: gdy zbyt duża temp. podgrzania wstępnego i zbyt duża E, to może wydzielić się gruboziarnisty bainit na granicach ziaren w spoinie i SWC (bainit ma mniejszą Re niż drobnoziarnisty martenzyt odpuszczony, więc fuj fuj). Problemy przy stalach odpornych na ścieranie: często wymagają podgrzania wstępnego. Problemy przy stali do pracy w podwyższonych temp.: przy spawaniu hartują się, więc łatwo o pęknięcia w SWC i w spoinie, więc trzeba podgrzewać wstępnie, stale kontrolować parametry spawania, stosować obróbkę cieplną po zakończeniu spawania. Problemy ze stalami nierdzewnymi: jest ryzyko pęknięć zimnych, obniżają się wartości wydłużenia i udarności w spoinie, bo pojawia się martenzyt oraz ferryt delta, więc trzeba to poddać jeszcze obróbce cieplnej po spawaniu. Problemy z chromowymi stalami ferrytycznymi: ograniczona spawalność, bo jest krucha SWC z powodu wzrostu wielkości ziarna (gdy duże E spawania), ale można go usunąć przez obróbkę cieplną po spawaniu, złącze trzeba podgrzewać wstępnie do 100°C, a temp. międzyściegową utrzymać na 100°C-160°C (bo inaczej zimne pęknięcia). Problemy przy stalach chromowo-niklowych austenitycznych: utrata odporności na korozję międzykrystaliczną, pęknięcia gorące (krystalizującego i likwacyjnego), wzrost kruchości, podgrzewanie wstępne tylko do grubych el.