Zona utjecaja topline (ili jednostavno ZUT) događa se kada je metal izložen visokim temperaturama. Ima negativan utjecaj na dizajn i strukturu metala. Koji učinci dovode do ZUT-a i kako utjecati na njihovo smanjenje?
 

Zonu utjecaja topline (ZUT)

Mehaničko rezanje, toplinsko rezanje i zavarivanje samo su neki proizvodni postupci koji uzrokuju pojavu zvanu zona utjecaja topline (ZUT).

Kod mehaničkog rezanja mora se svladati posmična čvrstoća metala. Pri tom postupku većina energije pretvara se u toplinsku energiju koja utječe na trajnost alata i metala koji se podvrgavaju postupku rezanja.

Kod metoda toplinskog rezanja, poput laserskog rezanja ili rezanja plazmom, toplina se koristi za rezanje. I ta metoda uzrokuje iste promjene u strukturi metala i njegovoj estetici.

Zavarivanje, slično kao i kod termičkog rezanja, koristi vrlo visoke temperature kod postupaka dodavanja  rastaljenog metala ili taljenje samih dijelova.

Budući da formiranje zone utjecaja topline ima značajan učinak na kvalitetu konačnog proizvoda, dobro je razumjeti različite relevantne aspekte koji dovode do pojave zone utjecaja topline ili, pak, do njezinih posljedica.

 

Što je zona utjecaja topline?

Tijekom rezanja metala ili zavarivanja metala, metal koji se obrađuje, apsorbira toplinu stvorenu u procesu. Ta se toplina prenosi putem od oštrice kroz metalno tijelo, s obzirom na to da je metal dobar vodič topline.

Između rastaljenog metala i nepromijenjenog osnovnog metala formira se zona koja se naziva zona utjecaja topline (ZUT). U ovoj zoni metal nije otopljen, ali je toplina dovela do promjena u mikrostrukturi metala. Ove promjene u strukturi mogu utjecati na smanjene čvrstoće metala.

Zona utjecaja topline se može prepoznati po nizu jarko obojenih traka između sučelja rezanja/zavarivanja i nepromijenjenog osnovnog metala. Boje se kreću u spektru od svijetložute do ljubičaste.

 

Što nam govori boja?

Kao rezultat korištenja različitih temperatura tijekom procesa proizvodnje, u ZUT-u su prisutne različite nijanse boje. Ove nijanse se kreću od svijetložute do tamnoplave u skladu s porastom temperature.

Boje traka prema porastu temperature su:

Svijetlo žuta         290º C

Žuta boja slame   340º C

Žuta                        370º C

Smeđa                   390º C

Ljubičastosmeđa 420º C

Tamnoljubičasta  450º C

Plava                      540º C

Tamnoplava         600º C

Čimbenici koji dalje utječu na stvaranje ovih toplinskih nijansi su:

• Stanje površine – hrapavije površine brže oksidiraju stvarajući izraženiju boju.
• Površinska kontaminacija – nečistoće poput hrđe, boje i ulja također utječu na nijansu. Kontaminacija može promijeniti toplinsku nijansu, ali to ne utječe na proširenje ZUT-a.
• Dostupnost kisika – budući da ograničenje pristupa kisiku smanjuje oksidaciju, korištenje premaza elektrode ili zaštitnog plina za zavarivanje može utjecati na toplinsku nijansu.
• Sadržaj kroma – krom povećava otpornost na oksidaciju. Stoga veći sadržaj kroma smanjuje intenzitet toplinske nijanse.

Formiranje zone pod utjecajem topline

Uzrok stvaranja ZUT-a je očito toplina. Širina zone i dalje ovisi o nekoliko čimbenika, poput toplinske difuzije i izbora metoda rezanja.

Toplinska difuznost

Toplinska difuznost metala igra primarnu ulogu u određivanju utjecaja ZUT-a na metal. To je omjer toplinske vodljivosti metala podijeljen s njegovom gustoćom i specifičnim toplinskim kapacitetom pri konstantnom tlaku.

Jednostavnim riječima, toplinska difuznost metala je mjera kojom se brzinom toplina prenosi kroz tijelo metala. Ako je koeficijent toplinske difuzije visok, metal će prije moći predati toplinu.

To dovodi do bržeg hlađenja i ZUT će biti uži. S druge strane, niska toplinska difuznost će zadržati toplinu u metalu dulje vrijeme i stvoriti širi ZUT.

Toplinska difuznost nehrđajućeg čelika AISI 304 je 4,2 mm2/s, dok kod konstrukcijskog čelika iznosi 11,72 mm2/s. To znači da će konstrukcijski čelik, kada je izložen toplini, stvoriti manji ZUT jer će se brže hladiti.

Stvaranje ZUT-a također ovisi o raznim drugim čimbenicima. Širina zone ovisi o količini proizvedene topline, trajanju izlaganja toplini i debljini materijala.

Tanki lim se brže zagrijava i stoga stvara veću zonu utjecaja topline.

 

Izbor metode rezanja

Svaka metoda termičkog rezanja je malo drugačija i zato rezultirajuća zona utjecaja topline također varira.

Rezanje plamenom i elektrolučno zavarivanje proizvode maksimalnu količinu topline i imaju najširi ZUT od svih.

Brzi i postojani zavari svode izlaganje toplini na minimum. Dakle, korištenje iskusnog zavarivača može smanjiti veličinu ZUT-a i posljedično dovesti do jačeg spoja.

Veličina ZUT-a kod plazma rezanja je relativno tanja jer se brzinama rezanja može manipulirati kako bi se dobila tanka ZUT.

Lasersko rezanje će stvoriti još manju ZUT jer ima uski rezni rez i toplina se primjenjuje na malo područje.

Procesi poput rezanja vodenim mlazom i rezanja ne stvaraju ZUT jer ne uključuju pregrijavanje materijala. To je nešto što treba uzeti u obzir pri projektiranju dijelova kojima je potrebna dodatna pouzdanost.

Učinci ZUT-a

Zona pod utjecajem topline dovodi do strukturnih promjena u metalu koje slabe dio metala u ovom području. To utječe na mehanička svojstva metala kao što su otpornost na zamor, deformaciju i površinsko pucanje.

Zbog toga je izuzetno važno spoznati učinke ZUT-a. Ovo vrijedi čak i kod samostalnog rezanja i varenja metala.

 

Različiti učinci ZUT-a na metal

Metalurške i kemijske promjene

Kod rezanja metala, metal apsorbira toplinu vrlo velikom brzinom, što može značajno promijeniti mikrostrukturu i svojstva metala u zahvaćenom području.

Molekularne strukture metala se šire kada se zagrijavaju. Ako se primijenjena toplina mijenja po presjeku metala, to dovodi do neravnomjernog širenja i naknadnog skupljanja metalnog tijela. Tijekom procesa hlađenja mogu se pojaviti deformacije poput iskrivljenja. Na primjer, proizvodnja toplo valjanih čelika ima slične rezultate.

Kemijske promjene također se vide kao različite faze koje se stvaraju jedna pored druge ovisno o specifičnim temperaturama koje postižu različiti dijelovi metala.

Površinsko nitriranje

Površinsko nitriranje uključuje dodavanje dušika metalnoj površini radi poboljšanja njezine tvrdoće. U postupcima rezanja i zavarivanja metala na visokoj temperaturi, ovaj se učinak vidi. Zbog toga se u zagrijanom području tvrdoća povećava, a mogućnost zavarivanja smanjuje.

Oksidacija

Kada su metali podvrgnuti visokim temperaturama, između ostaloga mogu biti podvrgnuti procesu oksidacije. To je odgovorno za jarko obojene trake koje su karakteristične za ZUT.

Promjena faze

Dijagram željeznog karbida pomogao nam je razumjeti faze čelika. Ovisno o temperaturi čelika stvaraju se različite faze.

Kada je, na primjer, izložen visokim temperaturama, austenitni nehrđajući čelik će se promijeniti u martenzitni čelik. Martenzitni čelik je tvrđi i lomljiviji. U nekim slučajevima, toplina će oslabiti metal.

Vodikova krtost

Vodikova krtost je difuzija vodika u metalnu rešetku koja smanjuje duktilnost i žilavost metala.

Visoke temperature mogu dovesti do vodikove krtosti. U nekim metalima može doći do fazne transformacije zbog ovog atomskog vodika. To može uzrokovati vodikovo pucanje čak i nakon 24 sata od procesa rezanja.

Korozija

Nehrđajući čelik može čak i korodirati u zoni utjecaja topline. Ekstremna vrućina dovodi do taloženja kromovih karbida u blizini granica zrna. To smanjuje sadržaj kroma u nehrđajućem čeliku ispod 10,5 posto.

Rezultat je gubitak samopasivacije (sposobnost ponovnog stvaranja zaštitnog sloja krom oksida za sprječavanje korozije) što uzrokuje interkristalnu koroziju. Također gubi svojstvo da je nehrđajući i u ekstremnim slučajevima, metal će pocrniti.

Smanjenje stvaranja ZUT-a

Zona pod utjecajem topline nepoželjan je nusprodukt. Međutim, nemoguće je potpuno eliminirati ZUT. Nakon njegovog formiranja moguća je samo redukcija.

Bilo da varite ili režete metal, ključ je u brzini. Kao što je već ranije opisano, kraće izlaganje toplini ostavlja manji ZUT.

Mogućnost optimizacije brzine svodi se na opremu i operatere stroja. Poznavanje metoda snalaženja u postavljanju strojeva na najbolje performanse dovodi do sjajnih rezultata.

Popravci nakon formiranja

Nakon formiranja ZUT-a, metal je moguće tretirati kako bi se povratio dio izgubljene čvrstoće.

U slučaju zavarivanja, to se može izvesti obradom prije ili nakon zavarivanja. Ravnomjerna promjena faze metala osigurava manji učinak u odnosu na okolni metal.

Otopinsko žarenje je nešto što pomaže u slučaju čelika. Metoda uključuje zagrijavanje metala i njegovo držanje na određenoj temperaturi radi jačanja elementarnih veza.

Mehanička završna obrada može pomoći s estetske strane. Jedan od načina da to učinite je korištenje brusnog papira za uklanjanje toplinske nijanse nastale oksidacijom. To će otkriti sloj ispod i dovesti do samopasivacije kroma u slučaju nehrđajućeg čelika. Međutim, slabljenje dijela je također moguće.

Najučinkovitiji način da se riješite cijele zone utjecaja topline je strojno uklanjanje. Iako to dovodi do gubitka materijala.

 

Zaključak

Zona utjecaja topline neizbježan je dio postupaka rezanja i zavarivanja metala na visokoj temperaturi. Uzrok leži u pregrijavanju metala tijekom ovih procesa i može utjecati na svojstva materijala.

Formiranje se može kontrolirati do određene mjere. Stoga je najbolji način da se borite protiv toga obraćanje pouzdanom dobavljaču metalnih proizvoda s potrebnim znanjem kako bi se promjene svele na minimum.

---