Svetsning - Föreläsning 19 Prof. Tomas Beno Svetsmetoder - Översikt 3 TVB100 - Föreläsning 19 – Svetsning Svetsning - Vad är det? Med svetsning avses fogning eller sammansmältning av arbetsstycken genom uppvärmning och/eller tryck, så att de bildar en enhet. Värmekällan vid svetsning är vanligen en elektrisk ljusbåge där strömmen kommer från en svetsströmkälla. Svetsning med ljusbåge kallas bågsvetsning. Sammansmältningen kan åstadkommas enbart av värmen från ljusbågen som smälter samman delarna. Denna metod används bland annat vid TIG-svetsning. Normalt smälts ett tillsatsmaterial in i svetsfogen, antingen från en trådelektrod genom en svetspistol (MIG/MAG-svetsning), eller med en manuellt matad svetselektrod. Vid denna metod måste tillsatsmaterialet ha ungefär samma smältpunkt som grundmaterialet. Innan svetsningen påbörjas, ska arbetsstycket fogberedas till en lämplig svetsfog till exempel en V-fog. Under svetsningen smälter ljusbågen samman fogens kanter och tillsatsmaterialet och bildar därvid ett smältbad. De mest svetsade materialen är metaller såsom aluminium, stål och rostfria stål. 4 TVB100 - Föreläsning 19 – Svetsning Svetsning - Ljusbåge Ljusbågen består av en elektrisk urladdning mellan svetselektroden och arbetsstycket. Ljusbågen skapas när en tillräckligt hög spänningspuls (trigger ignition) genereras mellan arbetsstyckena eller när svetselektroden kortsluts mot svetsgodset (strike ignition). Ljusbågen utgör grunden för bågsvetsning. Den smälter samman tillsatsmaterialet och grundmaterialet och bildar då en svetsfog. Den elektriska spänningen laddas ur som en blixt under ett åskväder och gör att elektronerna kan strömma genom luftgapet. Urladdningen alstrar temperaturer på flera tusen grader, ända upp till 10 000 C. En konstant ström flyter från strömkällan till arbetsstycket via svetselektroden. Därför måste arbetsstycket anslutas med en återledare till strömkällan innan svetsningen påbörjas. För att åstadkomma en jämn och stark svetsfog måste ljusbågen vara stabil. Det är därför viktigt att svetsspänningen och trådmatningshastigheten anpassas till grundmaterialet och dess tjocklek. Dessutom inverkar svetsarens teknik på ljusbågens stabilitet och därmed svetsfogens kvalitet. Avståndet mellan svetselektroden och fogen samt jämn framföringshastighet av svetspistolen är betydelsefulla faktorer för ett lyckat svetsresultat. Förmågan att bedöma vilken spänning och trådmatningshastighet som krävs är ett tecken på svetsarens kompetens. 5 TVB100 - Föreläsning 19 – Svetsning Svetsning - Skyddsgas Skyddsgasen spelar ofta en viktig roll för svetsningens produktivitet och kvalitet. Som namnet anger, skyddar gasen det stelnande smältbadet från att reagera med luftens syre och att förorenas av främmande partiklar och fukt i luften. Föroreningar kan förorsaka porer och försämra svetsfogens hållbarhet genom att dess geometri förändras. Skyddsgasen kyler även svetspistolen. De vanligaste skyddsgaserna är argon, helium, koldioxid och oxygen. Skyddsgasen kan vara inert eller aktiv. En inert gas reagerar inte alls med smältbadet, medan en aktiv gas deltar i svetsprocessen genom att den stabiliserar bågen och säkerställer en jämn överföring av tillsatsmaterial till fogen. Inert gas används vid MIG-svetsning (Metal-arc Inert Gas), medan aktiv gas används vid MAGsvetsning (Metal-arc Active Gas). Helium (He) är också en inert skyddsgas. Helium och helium/argon-blandningar används vid TIG- och MIG-svetsning. Helium ger bättre sido inträngning och medger högre svetshastighet än argon. Koldioxid (CO2) och oxygen (O2) är aktiva gaser, så kallade syresättningskomponenter, som används för att stabilisera ljusbågen och säkerställa jämn överföring av tillsatsmaterial vid MAG-svetsning. Proportionerna mellan dessa gaser i skyddsgasen bestäms av ståltypen. 6 TVB100 - Föreläsning 19 – Svetsning Svetsning - Fogningstyper 7 TVB100 - Föreläsning 19 – Svetsning Punktsvetsning - Översikt Punktsvetsning är en form av motståndssvetsning som används för att svetsa ihop plåtar. Två elektroder, som ser ut som kopparstavar med runda spetsar, pressar ihop plåtarna och leder ström genom dem. Resultatet blir att materialet smälter ihop i en punkt. Strömmen stängs av när punkten är klar. 8 TVB100 - Föreläsning 19 – Svetsning Friktionsomrörningssvetsning - Översikt Friktionsomrörningssvetsning FSW (Friction Stir Welding ) är en relativt ny metod som uppfanns, utvecklades och patenterades av TWI (The Welding Institute) i Cambridge i England. Vid friktionssvetsning roteras ett cylindriskt verktyg i form av en profilerad pinne med skuldra och tillämpas i huvudsak vid svetsning av aluminium men kan även användas i material som zink, magnesium och bly. Metoden sammanfogar arbetsstycket i fast tillstånd, det vill säga utan att materialet vid någon tidpunkt övergår i smält fas. Fogytorna tvingas samman under värme och kraftig deformation och bildar en homogen svets. Man använder ett roterande verktyg med en tapp som nästan helt penetrerar fogen. Eftersom det krävs högt tryck när verktyget passerar över fogen måste arbetsstycket vara väl inspänt. Tekniken kan liknas vid fräsning, men ingen material avverkas utan det pressas förbi tappen och fyller upp bakom. Ingen råge bildas. Fogen utformas som en stumfog utan spalt. TVB100 - Föreläsning 19 – Svetsning 9 Friktionsomrörningssvetsning - Process 10 TVB100 - Föreläsning 19 – Svetsning Friktionssvetsning - Översikt Friktionssvetsning är en mekanisk svetsmetod där man gnider de delar som skall sammanfogas mot varandra under högt tryck, vilket orsakar värme som får delarna att smälta samman. 11 TVB100 - Föreläsning 19 – Svetsning Gassvetsning - Översikt Gassvetsning är en av de äldsta svetsmetoderna och har minskat i betydelse i och med tillkomsten av nya och effektivare svetsmetoder. Gassvetsning är dock en mångsidig metod med enkel förhållandevis billig utrustning och passar bra vid reparations- och montagearbeten. Den alstrar sin värme av en blandning av gaserna acetylen och oxygen vilket ger en flamtemperatur på 3200°C. Svetslågan har en lägre temperatur och är mindre koncentrerad än ljusbågen vid elektrisk svetsning, riktas mot fogkanterna som smälts varefter man kan tillföra tillsatsmaterial efter behov. 12 TVB100 - Föreläsning 19 – Svetsning Metallbågsvetsning, MMA - Översikt Metallbågsvetsning, MMA (Manual Metal Arc), i dagligt tal även kallad pinnsvetsning eller bågsvetsning. Vid svetsning tänds en ljusbåge mellan elektroden och arbetsstycket genom en elektrisk kortslutning. Vid denna kortslutning frigörs energi och ett bågplasma bildas som får kärntråden att smälta av i droppform. Höljet smälter därefter och följer med i droppövergången och bildar en skyddande slagg. I ljusbågen frigörs också elektromagnetisk energi som till viss del hjälper till med droppövergången; denna effekt kallas också plasmaström. 13 TVB100 - Föreläsning 19 – Svetsning Metallbågsvetsning, MMA - Elektroder Elektroden består av en kärntråd med ett utvändigt skyddande hölje som har till uppgift att bland annat jonisera och stabilisera ljusbågen, utveckla skyddsgas, avge en skyddande slagg, tillföra desoxidationsmedel och tillföra legeringsämnen. Det skyddande slaggtäcket har till huvudsaklig uppgift att skydda svetssmältan (smältpoolen) från att reagera eller oxidera i atmosfären då den befinner sig i smältfas, men har även till uppgift att forma svetssmältan och hålla den på plats. Slaggsmältan har oftast fler uppgifter än dessa nämnda, beroende av dess kemiska sammansättning. Det stelnade slaggtäcket avlägsnas normalt på mekanisk väg med en slagghammare (eller, om sådan ej är tillgänglig, annat lämpligt metallföremål), eller med tryckluftsmejsel. 14 TVB100 - Föreläsning 19 – Svetsning Metallbågsvetsning - Fördelar/nackdelar Fördelar med svetsmetoden Behöver enkel utrustning med få ingående delar Klarar högt ställda kvalitetskrav Låg anskaffningskostnad samt ett mycket stort utbud av tillsatsmaterial Metoden lämpar sig väl för utomhusbruk (mindre väderkänslig) Nackdelar med svetsmetoden Är jämfört med MAG- svetsning långsam och har regelbundna avbrott för elektrodbyte Kräver ett gott handlag (vana) av operatören Ger relativt stor rökutveckling vilket ställer större krav på ventilation än andra svetsmetoder Basiska elektroder är fuktkänsliga (hygroskopiska), vilket ställer krav på extra god förvaring samt hantering. 15 TVB100 - Föreläsning 19 – Svetsning Tigsvetsning - Översikt TIG-svetsning Tungsten Inert Gas, eller Wolfram Inert Gas som det kallas i vissa länder, är en metod med en väldigt koncentrerad ljusbåge. Det som utmärker TIG-svetsning är att elektroden inte förbrukas. Elektroden är oftast gjord av en typ av volframlegering, med till exempel zirkonium. Oftast tillsätts material för att få en svets. Ljusbågen värmer upp materialet och processen skyddas av en skyddsgas, till exempel argon eller helium. För svetsning av aluminium används växelström, för svetsning av kolstål, rostfritt och koppar används likström. 16 TVB100 - Föreläsning 19 – Svetsning Tigsvetsning - Översikt TIG-svetsning ger i allmänhet mer kvalitativa svetsförband än MIG/MAG-svetsning. Svetsförbandet ser bättre ut och innehåller i allmänhet mindre defekter än förband som svetsats med MIG/MAG eller MMA (belagda elektroder), och kallflytningar av svetsmaterial är lätt att undvika. Den största nackdelen med TIG-svetsning är att metoden är förhållandevis långsam. Å andra sidan kräver TIG-svetsning väldigt lite efterarbete, vilket gör metoden lämplig för svetsare som kräver ett snyggt utseende, och/eller jämna övergångar mellan material och svets. 17 TVB100 - Föreläsning 19 – Svetsning MIG/MAG-svetsning - Översikt MIG/MAG-svetsning eller Gasmetallbågsvetsning GMAW Gas Metal Arc Welding utvecklades i USA i slutet av 1940-talet. Metoden bygger på att en trådelektrod eller rörelektrod kontinuerligt matas med en mekanisk drivanordning, fram till ett "pistolhandtag". När ljusbågen etablerats smälts elektroden kontinuerligt i en skyddsgas som undantränger skadlig atmosfär. Detta för att skydda smältpoolen från att oxidera under smältfasen. 18 TVB100 - Föreläsning 19 – Svetsning MIG/MAG-svetsning - Översikt Vid MIG-svetsning, Metal Inert Gas, är det vanligast förekommande med argon som skyddsgas, men även helium förekommer i blandning med argon. Vid MAG-svetsning, Metal Active Gas, används vanligen Argon med en inblandning av koldioxid (2-25%) vanligen kallad blandgas som skyddsgas. Ren koldioxid som skyddsgas vid MAG-svetsning är inte lika allmänt förekommande numera i Sverige, men används i väldigt stor utsträckning i högproduktiv och krävande svetsning på grund av gynnsamma egenskaper kombinerat med lättillgängligt och låg kostnad i jämförelse med ädelgas. Låglegerade och olegerade stål MAG-svetsas vanligen med Argon/koldioxidblandning eller ren CO2. MIG-svetsning används främst för aluminium samt legerade material såsom rostfritt stål, som skyddsgas används argon, helium eller en blandning av båda. Helium som inblandning ökar värmetillförseln, vilket kan vara en fördel då man svetsar material med stor värmeavledning, till exempel koppar och aluminium. MIG/MAG-svetsning är en snabb metod, som kräver ringa efterbearbetning, för att rensa bort stänk. Dock är metoden känslig för rost och orenheter, vilka orsakar porbildning i svetsen. Även luftdrag stör, vilket ofta gör metoden olämplig för utomhusarbeten. 19 TVB100 - Föreläsning 19 – Svetsning Lasersvetsning - Översikt Lasersvetsning är en svetsmetod där man med hjälp av laser svetsar samman detaljer. Lasersvetsning sker med en laserstråle som bara medför lokal uppvärmning och som går så fort att detaljen är ihopsvetsad innan värmen från svetsen har spridit sig till det omgivande materialet. 20 TVB100 - Föreläsning 19 – Svetsning Heat Affected Zone, HAZ - Materialpåverkan 21 TVB100 - Föreläsning 19 – Svetsning Heat Affected Zone, HAZ - Materialpåverkan 22 TVB100 - Föreläsning 19 – Svetsning Heat Affected Zone, HAZ - Materialpåverkan 23 TVB100 - Föreläsning 19 – Svetsning Heat Affected Zone, HAZ - Materialpåverkan 24 TVB100 - Föreläsning 19 – Svetsning 25 TVB100 - Föreläsning 19 – Svetsning
