FÖR
Materiallära för svetsare är en faktabok som är anpassad efter EWFs kursplaner för svetsare och för utbildning till svetsspecialist (EWS). Boken kan även användas inom all annan svetsutbildning där materiallära ingår. Ur innehållet: -
stålframställning olika provningsmetoder metallografi och metallegenskaper materials förändring vid svetsning diskontinuteter användningsområden för olika metaller.
MATERIALLÄRA FÖR SVETSARE
MATERIALLÄRA
MATERIALLÄRA
FÖR
ISBN 9789147013098
Best nr. 47-01309-8
Tryck nr. 47-01309-8-03
9 789147 013098
Omslag.indd 1
10000
STAFFAN MATTSON
Boken är framtagen på initiativ av Svetskommissionen.
LIBER 2011-04-06 16.47
Innehållsförteckning
Förord Föreliggande bok täcker den teoretiska utbildningen vid utbildningen till EWS, European Welding Specialist, Europeisk Svetsspecialist under avsnittet ”Material och deras beteende under svetsning”. Den följer helt riktlinjerna från EWF, European Welding Federation. Studieplanen för EWS inom detta område motsvarar 45 timmar. Boken kan också användas inom avsnittet materiallära för utbildning till EWP, European Welding Practitian, Svetsmästare och för utbildningen till Europasvetsare. Boken har godkänts av Svetskommissionen som läromedel inom ovanstående utbildningsområden. Tillkomsten av denna bok har skett genom en omfattande litteraturstudie på befintlig modern svetslitteratur. För eventuella sakfel hänvisas till undertecknad författare. Staffan Mattson Bergsingenjör
ISBN 978-91-47-01309-8 © 1999 Staffan Mattson och Liber AB Bildleverantörer: AluminiumFörlaget, Metallgruppen, Teknikredaktörerna AB Omslag Robert Leistner Första upplagan 4 Repro: Resultat Grafisk Produktion AB Tryck: Multivista, Indien 2011 Kopieringsförbud Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärarens rätt att kopiera för undervisningsbruk enligt BONUS-avtal, är förbjuden. BONUS-avtal tecknas mellan upphovsrättsorganisationer och huvudman för utbildningsanordnare, t.ex kommuner/universitet. Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse i upp till två år samt bli skyldig erlägga ersättning till upphovsman/rätts innehavare. Liber AB, 113 98 Stockholm. Tfn 08-690 92 00. Http://www.liber.se Kundservice tfn 08-690 93 30, Fax 08-690 93 01 E-post: kundservice.liber@liber.se
2
Innehallsforteckning.indd 2
Materiallära för svetsare
2011-04-06 16.29
Innehållsförteckning
Innehållsförteckning 1. Introduktion till stål 5 Stålframställning 5 Behandling av flytande stål 6 Föroreningar i stålet 7 Gjutning 9 Stålets formning 11 Valsning av grov- och mediumplåt 12 Valsning av band och tunnplåt 13 Kallvalsning 13 Valsning av stång, profil och tråd 16 Formgjutning 16 Tillverkning av stålrör 16 Stålsorter 21 Europeisk metallstandard 27 2. Provning av material och svetsar 29 Materialprovning 29 Dragprovning 29 Slagprovning 32 Brytprovning 34 Bockprovning 35 Utmattningsprovning 35 Mikroskopering 39 Okulärbesiktning 39 Hårdhetsprovning 40 Radiografering 41 Ultraljudprovning 42 Magnetpulverprovning 43 Provning med penetrant 43 Virvelströmsprovning 44 Läcksökning 44 3. Metallografi och metallegenskaper 45 Kristallstruktur och atomär uppbyggnad av metaller 45 Mikrostrukturer hos metaller 47 Elastisk och plastisk deformation 48 Varm- och kalldeformation 51 Rekristallisation 51 Temperaturpåverkan på mekaniska egenskaper 53 4. Legeringar och fasdiagram 54 Metaller och legeringar 54 Legeringsämnen 54 Härdningsmekanismer 55 Grundläggande typer av tillstånds- och fasdiagram 58 Omvandling i fast fas 63 5. Järn-kol legeringar 65 Järn-kol diagrammet 65 Legeringsämnenas inflytande på järn-kol diagrammet 68 Isoterm omvandling av austenit, härdning 70 Härdning och svetsning, CCT-diagram 73 De svetsbara konstruktionsstålen 74
Materiallära för svetsare
Innehallsforteckning.indd 3
6. Värmebehandling av grundmaterial och svetsförband i stål 77 Egenskapsanpassning 77 Värmebehandling av osvetsat stål 77 Glödgning 77 Härdning 80 Värmebehandling före och under svetsning 84 Värmebehandling efter svetsning 85 Praktisk värmebehandling 88 7. Svetsförbandets struktur 90 Svetsmetallurgi 90 Svetsteknologiska definitioner och uttryck 90 Temperaturförloppet vid svetsning 93 Egenspänningar 93 Svetsgodsstrukturer 94 Smältans stelnande 95 Strukturer i svetszonen 96 Svalning från 800 till 500°C 99 8. Kolstål och kolmanganstål 102 Svetskonstruktionsstål 102 Stålens svetsbarhet 103 Hållfasthet – kolhalt 105 Egenskapspåverkan 106 Inverkan av föroreningar 107 Deformationsåldring 108 Användning av TTT- och CCT-diagram 108 Betydelsen av förhöjd arbetstemperatur 109 Svetsning av stål från tidigt 1900-tal 110 9. Sprickfenomen i stål 111 Hydrogensprickor, smältgränssprickor 111 Varmsprickor (stelnings- eller segringssprickor) 114 Skiktbristningar (lamellar tearing) 116 Återvärmningssprickor (reheat cracking) 118 Diskontinuiteternas beroende av svetsdata 119 10. Finkorn- och mikrolegerade stål 121 Mekanismen för kornförfining 121 Bildning och utveckling av partiklar 121 Normaliserade ståltyper 122 Svetsningsförhållanden 122 Förvärmning 124 Kylda och anlöpta ståltyper 124 Standarder 124 11. Termomekaniskt behandlade stål 125 Stålens indelning 125 Principen för termomekanisk behandling 126 Kemisk sammansättning 128 Mekaniska egenskaper 128 Påverkan på svetsbarheten 129
3
2010-07-12 15.10
Innehållsförteckning
12. Användningen av konstruktions- och höghållfasta stål 133 Utvecklingstendenser 133 Rätt svetsklass spar pengar 135 Svetsklasser och utmattning 137 Regler i BSK 94 139 Användningsexempel 141 Litteraturreferenser 146 13. Stål för låga temperaturer 149 Stål för lågtemperaturändamål 149 Lämpliga svetsmetoder 150 Materialstandarder 151 14. Varmhållfasta stål 152 Lämpliga svetsmetoder 153 Tillsatsmaterial 153 Låglegerade varmhållfasta stål 154 Svetsproblem och försiktighetsåtgärder 155 Lufthärdande material 155 15. Höglegerade stål 156 Betydelsen av legeringsämnen 156 Svetsbarhetsproblem hos legerade stål 157 Värmebehandling vid svetsning av legerade stål 161 Svetsning av seghärdningsstål 162 Svetsrekommendationer 165 Verktygsstål 166 16. Rostfria stål 171 Strukturtyper 171 Austenit- och ferritbildare 172 Standarder för rostfria stål 174 Mätning av ferritinnehållet 175 Egenskaper hos rostfria stål 176 Korrosionsmotstånd 179 Schæffler-deLong-diagrammet 180 Rostfria stål och deras svetsbarhet 183 Speciella svetsproblem 185 Efterföljande värmebehandling 186 Lämpliga svetsmetoder 187 Typer av tillsatsmaterial 190 Skyddsgaser 192 Mikrostruktur i svetsgodset 192 Mikrostruktur i HAZ 193 Svetsdiskontinuiteter 193 Korrosion av svetsförband 195 Efterbehandling 196 17. Korrosion av stål 198 Elektrokemiska grunder 198 Oxidation och reduktion 199 Passivering 200 pH-värde 201 Korrosionstyper 201 Katodiskt skydd 203 Korrosion i svetsförband 204 18. Skyddande ytbeläggningar 206 Cladding (metallbeläggning) 206 Påsvetsning 207 Hårdsvetsning 209 Ytbelagda stål 210 Svetsning av belagda stål 212
4
Innehallsforteckning.indd 4
19. Gjutstål och gjutjärn Gjutstål, översikt Gjutjärn, översikt Svetsning av gjutstål Svetsning av gjutjärn 20. Kopparbaserade material Legeringsöversikt Fysikaliska och mekaniska egenskaper Svetsbarhet Lämpliga svetsmetoder Skyddsgaser 21. Nickelbaslegeringar Framställning av nickelbaslegeringar Vanliga nickelbaslegeringar Svetsning av högnickellegeringar Tillsatsmaterial av nickelbaslegeringar 22. Aluminiummaterial Materialet aluminium Plastiskt bearbetbara legeringar Gjutlegeringar Beteckningssystem för aluminiumlegeringar Tillståndsbeteckningar Aluminiums fysikaliska egenskaper Härdning av aluminium Svetsning av aluminium Svetsbarhet Fogberedning Tillsatsmaterial Hållfasthet efter svetsning Deformationer Korrosionsmotstånd Lämpliga svetsmetoder Val av skyddsgas Diskontinuiteter i svetsar Användningsområden 23. Svetsning av olika metaller Användande av Schæffler-deLong-diagram Svetsning av stål och nickelbaslegeringar Grundsvetsning Exempel 24. Metallografisk undersökning Provpreparering Makro- och mikroundersökningar av stål Makro- och mikroundersökningar av aluminium Hur skiljer man aluminium från magnesium? Identifiering av metaller Fördjupningslitteratur 25. Svåra ord 26. Register
213 213 214 217 219 220 220 224 224 226 226 227 227 228 228 234 235 235 236 238 239 240 241 247 249 250 254 254 256 259 260 260 261 261 264 267 271 271 273 273 274 274 275 276 277 278 278 279 284
Materiallära för svetsare
2010-07-12 15.10
1. Introduktion till stål
1. Introduktion till stål järnmalm
Stålframställning
koks
kalk Järnmalm (krossad, sintrad), koks och kalk är utgångs material för framställning av råjärn. I masugnen befrias järnet från oxygen genom reduktion med kol.
het luft het luft
gg
sla En liten del av råjärnet gjuts till tackor.
råjärn
Det flytande järnet tappas över i en torpedovagn för vidare trans port till stålverket. I torpeden sänks svavelhalten.
I stålverket förädlas råjärnet till stål. I en LD-konverter (stålugn) sänks kolhalten genom att oxygen blåses in. Här tillsätts också legeringsämnen så att rätt kvalitet och egenskaper uppnås. För att sänka halten av oxygen i stålet efterbehandlas det ofta i en injektionsanläggning eller genom vakuumavgasning.
Det flytande stålet stränggjuts till stålämnen. Dessa kapas till lämpliga längder och varmvalsas till plåt, stång eller profil, som sedan kan värmebehandlas. Genom kallvalsning framställs tunnplåt.
Fig 1.1 Stålframställning från gruva till valsverk. Materiallära för svetsare
Kap 01 Svetslara EWS.indd 5
5
2010-07-15 14.58
1. Introduktion till stål
Behandling av flytande stål Desoxidation
I stålverket förädlas råjärnet till stål, fig 1.1. I en LD-konverter (stålugn) sänks kolhalten genom inblåsning av oxygen. Här tillsätts också legeringsämnen så att rätt kvalitet och egenskaper uppnås. För att sänka stålets oxygen- och svavelhalt efterbehandlas det ofta i en injektionsan läggning eller genom vakuumavgasning. Smält stål löser en hel del oxygen, men i fast tillstånd är lösligheten noll. När stålet stelnar, avges därför oxygenet i form av koloxidgas (CO), vilket ger blås or, p orer. Gasutvecklingen stör också stelningsförloppet, vilket ger segringar d.v.s variationer i götets sammansättning. Ä mnen som ger kraftiga segringar är kol, svavel och fosfor. Stål, som stelnat under gasutveckling, kallas otätat. Det är olämpligt för svetsning då sammansättningen är ojämn. För att förhindra att oxygenet förenar sig med kol och bildar gaser binder man det i stället till ett ämne som ger fasta partikl ar. Man kallar detta för desoxidation. Det vanligaste desoxidationsmedlet (kallas även tätningsmedel) är kisel. Det binder oxygenet till silikater eller kvartsglas (SiO2) så att gasutvecklingen förhindras. Ett annat vanligt desoxidationsmedel är aluminium. Det som därvid bildas flyter till stor del upp till ytan i stålbadet då det har låg densitet. En del blir dock kvar i form av slagg, eller som icke metalliska inneslutningar.
Tabell 1.1 Exempel på grundämnen och deras form vid rumstemperatur Grundämne Metaller (fasta) Aluminium Bly Guld Järn Kalcium Kobolt Koppar Krom Magnesium Mangan Molybden Nickel Platina Silver Tenn Titan Vanadin Wolfram Zink
Kemisk beteckning
Atom- nummer
Al Pb Au Fe Ca Co Cu Cr Mg Mn Mo Ni Pt Ag Sn Ti V W Zn
13 82 79 26 20 27 29 24 12 25 42 28 78 47 50 22 23 74 30
Metaller (flytande) Kvicksilver
Hg
80
Halvmetaller (fasta) Antimon Arsenik
Sb As
51 33
Icke-metaller (fasta) Bor Fosfor Kisel Kol Svavel
B P Si C S
5 15 14 6 16
Gaser Argon Helium Klor Nitrogen (Kväve) Oxygen (Syre) Hydrogen (Väte)
Ar He Cl N O H
18 2 17 7 8 1
Desoxiderat stål kallas tätat. Det har en mycket jämn sammansättning och är mycket lämpligt för svetsning. Även halvtätat stål förekommer. Stelnandet sker med kontrollerad gasutveckling. Kvalitetsmässigt ligger halvtätat stål närmare tätat än otätat stål.
6
Kap 01 Svetslara EWS.indd 6
Aggregationstillstånd gas flytande fast
Materiallära för svetsare
2010-07-14 15.25
1. Introduktion till stål
Slagger
Flytande stål innehåller en del oxid er från desoxidationen t.ex kisel- och aluminiumoxider. Även svavel reagerar med olika ämnen och bildar sulfider. Oxiderna och sulfiderna i stålet kallas slagger. Man vill ha så litet slagger som möjligt (slaggrent stål).
Vakuumbehandling
Om smältan behandlas i vakuum avgår nitrogen och hydrogen ur stålet, men även koloxid. Denna är inte löst i stålet, utan bildas vid vakuumbehandlingen genom att kol förenas med oxygen. Behandlingen i vakuum innebär alltså en desoxidation av stålet. Tekniken kan jämföras med när en flaska kolsyrad läsk öppnas. Innan den öppnas är kolsyran löst i vattnet och övertryck råder. När flaskan öppnas, sjunker trycket och koldioxidgas bildas och bubblar upp.
Tabell 1.2 Legeringsämnen i stål Ämne Inverkan på stålet Kol (C) Med stigande kolhalt höjs hårdhet och hållfasthet, medan seghet och svetsbarhet minskas. Kisel (Si) Höjer hållfasthet och förbättrar härdbar- het. Mangan (Mn) Höjer hållfasthet och motstånd mot slitage. Förbättrar härdbarheten. Krom (Cr) Höjer hårdhet, hållfasthet och seghet. Förbättrar härdbarheten. Halter över 12 % ger gott korrosionsmotstånd, sk rostfrihet. Nickel (Ni) Höjer hållfasthet och seghet. Förbättrar härdbarhet och korrosionsmotstånd. Molybden (Mo) Höjer hållfastheten. Förbättrar härdbarhet och korrosionsmotstånd. Wolfram (W) Förbättrar härdbarheten. Bildar med kol hård wolframkarbid som höjer slitstyrkan. Kobolt (Co) Höjer hållfasthet och seghet. Förbättrar korrosionsmotståndet. Vanadin (V) Höjer hållfasthet och seghet. Ger fin materialstruktur.
Pulverinjektion
Genom att blåsa ned ett finkornigt pulver i stål badet med hjälp av argongas e rhålls svavelrening snabbt och effektivt. Metoden kan kombineras med desoxidation.
Föroreningar i stålet Föroreningar i stålet utgörs av svavel, fosfor och nitrogen. Slagginneslutningar av typen oxider och sulfider räknas även dit. Svavel kommer från koksen vid råstålstillverkningen i masugnen. Svavelhalterna i moderna stål är låga, vanligen ca 0,025%. Det går lätt att ta bort svavlet vid ståltillverkningen. Stål innehåller alltid minst 0,4% mangan, som bild ar mangansulfid (MnS). Sulfiderna förekommer som runda icke metalliska inneslutningar. Fosfor orsakar kallbräcka d.v.s stålet blir sprött vid rumstemperatur. Fosfor kommer från järn malmen och tas bort med kalkrika slagger. I dagens stål är fosforhalterna under 0,025%. Materiallära för svetsare
Kap 01 Svetslara EWS.indd 7
7
2010-07-14 15.25
1. Introduktion till stål
Nitrogen i stål är interstitiellt löst i ferritgittret, fig 1.2. Nitrogenatomerna är små och kommer in från luften under ståltillverkningen. Den höga ljus bågstemperaturen i elektrostålugnen ökar nitro genupptagningen. Vid moderna syrgasprocesser, där man använder rent oxygen för oxidation av kol i smältan, blir nitrogenhalten i det färdiga stålet mindre än 0,005%. Löst nitrogen bidrar till att stålet blir sprött och att det deformationsåldrar. Åldringen kan minskas genom tillsatser av ämnen som förenar sig med nitrogenet, t.ex aluminium eller vanadin.
Om stålet legeras med cerium (Ce), kan skiktning arna minskas. Det binder svavel kraftigare än vad mangan gör. De bildade sulfiderna blir mycket
<
Slagginneslutningar (icke metalliska inneslutningar av oxider och sulfider) räknas som föroren ingar. Vid varmvalsning kommer de små inneslutningarna (Ø <0,1 mm) att sträckas ut till tunna strängar eller skiktningar, fig 1.4. Skiktningar är den största anledningen till anisotropi i det färdiga stålet. Med anisotropi menas att egenskaperna är olika i olika riktningar i materialet. I stålplåt är hållfastheten sämst i plåtens tjockleksriktning. Belastas plåten i denna riktning, kan den brista.
Fig 1.2 Interstitiellt lösta nitrogen atomer i stål.
<
I de moderna mikrolegerade stålen är närvaron av nitrogen en förutsättning för att erhålla fina krist allkorn vid stelnandet. Nitrogen fungerar därför också som ett viktigt legeringsämne.
Fig 1.3 Diffusion av interstitiellt lösta atomer i ett järngitter, t.ex kol eller nitrogen i stål.
Fig 1.4 Slaggstråk i ett stål. 8
Kap 01 Svetslara EWS.indd 8
Materiallära för svetsare
2010-07-14 15.25
1. Introduktion till stål
årda och sträcks inte ut vid varmvalsning. Hållh fastheten i tjockleksriktningen har därigenom höjts. Sådan plåt kallas Z-plåt. Även tillsatser av kiselkalcium (SiCa) används. Restelement. Andra ämnen som koppar, nickel, krom och molybden kommer in i stålet från omsmältning av stålskrot. Några tiondels procent av dessa restämnen blir kvar i det färdiga stålet, vilket bl.a påverkar stålets härdbarhet. Detta måste man ta hänsyn till vid svetsning, eftersom man är rädd för martensitbildning i den värmepåverkade svetszonen (HAZ).
Gjutning Götstelnande
Stål gjuts i kokiller, d.v.s höga formar av gjutjärn, fig 1.5. Den stelnade produkten, som kallas göt, kan väga upp till 20 ton. När kokillen fyllts med stål, Fig 1.5 Stigande gjutning i kokill. börjar stelnandet utefter de kalla kokillväggarna. Stelningskristaller (dendriter) växer in i smältan mot de centrala partierna. Om stelnandet sker ostört, växer kristallerna hela tiden tills smältan tar slut. Eftersom stålet krymper vid stelnandet uppstår en sughålighet (pipe) i de sist stelnade partierna. Genom att kokillen värmeisolerats upptill styrs stelnandet så, att pipen bildas i toppen på götet. Före valsningen av götet skärs den piperika delen bort. Metallutbytet blir därför ca 80%. Stål som stelnat utan gasavgivning kallas tätat, fig 1.6. Om stelnandet däremot sker under gasavgivning, uppstår andra stelningsförhållanden. Som tidigare sagts kan smält järn lösa mycket oxygen, men inte fast, vilket innebär att oxygenet avgår då stålet stelnar och bildar koloxid (CO) med kolet. När stelningskristallerna bildas och växer ut från kokillväggarna, utskiljs gas som delvis bubblar bort, delvis fastnar som blåsor i kristallerna. Bubblorna blir mer och mer anrikade på vissa ämnen, t.ex svavel, fosfor och kol, då de stiger uppåt.
Otätat
Tätat Pipe
Gasblåsor
I de centrala partierna går det däremot en nedåtriktad metallström, som transporterar anrikad (förorenad) smälta. I det stelnade götet får därför cent Fig 1.6 Utseendet hos: rumpartierna högre föroreningshalter av svavel och otätat stål, Si < 0,01%, och fosfor än ytterpartierna. Detta kallas makrosegring. tätat stål, Si ≥ 0,15%. Materiallära för svetsare
Kap 01 Svetslara EWS.indd 9
9
2010-07-15 13.21
1. Introduktion till stål
De blåsor som blir kvar mellan de växande kristallerna kompenserar för pipebildningen. Blåsorna trycks ihop under efterföljande valsning. Stål som stelnat under gasavgivning kallas otätat. Metallutbytet blir relativt högt, ca 95%, då pipe saknas. Gasavgivningen regleras genom desoxid ation.
Stränggjutning
Kokillgjutning har till stor del ersatts av stränggjutning. Metoden används i dag vid tillverkning av de flesta svetsbara konstruktionsstålen. Stränggjutning ger billigare material och man undviker pipe. Dessutom får man direkt ett platt ämne, varför man slipper många värmnings- och valsningsmoment. Vid stränggjutning, fig 1.7, gjuter man hela chargen – ca 100 ton smält stål – i en sträng. Strängen gjuts vertikalt, men kröks sedan till horisontellt läge. Detta för att anläggningen inte ska bli för hög. Efter stelning och svalning delas strängen upp i mindre ämnen med syrgasskärning. Ämnena går efter ytbehandling till valsning. 1
2
2 4
från smältugn
lsm Stå
stödrullar
älta
kokill
vattendysor
3
5
9
9
8
7
6
d lna ng Ste ålsträ st
Fig 1.7 Stränggjutningsanläggning 1. Travers från stålugn 2. Skänk med flytande stål 3. Vridtorn 4. Gjutlåda 5. Vattenkyld kopparkokill 6. Kylkammare 7. Riktverk 8. Vippa 9. Skärmaskin
10
Kap 01 Svetslara EWS.indd 10
Materiallära för svetsare
2010-07-15 13.21
1. Introduktion till stål
Stränggjutningsprocessen förutsätter tätat stål, vilket ger en produkt med hög kvalitet. Genom avsaknaden av pipe erhålls ett högt materialutbyte.
Stålets formning Framställning av halvfabrikat
Då stålet gjutits till göt eller ämnen är själva materialet färdigtillverkat. Men det är i stort sett oanvändbart eftersom materialet också måste ha en form. Formningen sker till halvfabrikat som plåt, stång, rör, profil eller tråd. En stor del av stålproduktionen valsas. Stålet får sin form, då det passerar i spalten mellan två valsar under högt tryck. Valsningen, fig 1.8, utförs med varma eller kalla ämnen, varm- resp kallvalsning. Valsningen har dock sina begränsningar. Endast produkter med samma tvärsnitt i hela sin längd (plåt och band) kan valsas.
stödvals arbetsvals
Fig 1.8 Valsning av plåt i ett kvartovalsverk kan utföras med varmt eller kallt ämne.
Varmvalsning
Varmvalsningen utförs vid 800–1100°C. Vid dessa temperaturer är stålets motstånd mot formförändr ing mycket litet. Oftast sker valsningen i flera steg 5 med mellanliggande värmning av ämnena. Man kontrollerar då ytorna på ämnena och slipar eller skär bort sprickor och andra defekter. Varmbear9 betningen bryter ner de grova kristallkornen som bildats vid stålets stelnande till fina korn.
Kallvalsning
Färdigtillverkning av plåt och band sker ofta genom kallvalsning. Tunnare plåt än 1,5 mm kan ej varmvalsas utan särskilda metoder, ej heller tråd under 5 mm. Kallvalsning utförs ofta i flera etapp er. Kallvalsningen ger: • tjocklekar ned mot 2 µm, vilket är ca tusen gånger tunnare än varmvalsad plåt • mycket hög måttnoggrannhet • en slät, porfri och blank yta • högre hållfasthet
Materiallära för svetsare
Kap 01 Svetslara EWS.indd 11
11
2010-07-15 13.21
1. Introduktion till stål
Valsning av grov- och mediumplåt Efter tjockleken indelas plåt i: • grovplåt, tjockare än 5 mm • mediumplåt, 3–5 mm tjock • tunnplåt, tunnare än 3 mm Utgångsmaterialet för valsning av grov- och medi umplåt är slabs, och för tunnplåt platiner. Ett alternativ till slabs är stränggjutna plåtämnen. Efter avsyning och syrgashyvling används de direkt i plåtvalsverket. Grov- och mediumplåt valsas i reversibla kvartovalsverk. De kraftiga stödvalsarna behövs för att göra plåten jämntjock. Först avsynas ämnena och ytbehandlas, vanligen genom syrgashyvling, varefter de värms i en genom skjutningsugn. Efter uppvärmningen spolas glödskalet bort med högtrycksvatten.
Valsningen
B B
rätt bredd
hetan vänds 90°
De varma ämnena förs sedan på en rullbana till plåtvalsverket. Där tas de in på tvären mellan valsarna och valsas på detta sätt tills man uppnått färdigbredden, fig 1.9. Sedan vrids det varma ämnet, hetan, 1/4 varv och valsas i sin ursprungliga längdriktning tills den fått avsedd tjocklek och längd.
Fig 1.9 Varmvalsning innebär att ämnet först valsas på bredden tills rätt bredd erhållits. Därefter vrids ämnet 90° och valsningen fortsätter.
Att man valsar på detta sätt beror på att plåtens ökning på bredden, bredningen, är obetydlig vid valsning i längdriktningen, trots att valsarna är släta. Kunden vill ha allt bredare plåt. Samtidigt blir kraven på jämn plåttjocklek allt högre.
Bearbetning efter valsningen
Direkt efter valsningen riktas plåt en i en varmriktningsmaskin, fig 1.10. Plåten får sedan svalna på en svalbädd, innan den synas på båda sidor. Till utrustningen Fig 1.10 Riktning av varmvalsad plåt. hör också saxar, med vilka plåten klipps i önskat format. Grövre plåt måste gasskäras. Ibland sker till sist en normaliserande glödgning för att få finare korn och därmed ett segare material. 12
Kap 01 Svetslara EWS.indd 12
Materiallära för svetsare
2010-07-14 15.25
1. Introduktion till stål
Valsning av band och tunnplåt Varmvalsning av band
Kännetecknande för bandvalsning är att släta valsar används och att slutprodukten hasplas till rullar, coils. Ofta är produkten som lämnar vals verket helt leveransklar. Det gäller speciellt band som är tjockare än 2 mm. En del band genomgår någon form av efterbehandling t.ex värme- eller ytbehandling. En stor del av de varmvalsade banden används som ämnen för kallvalsning av tunnare band. Framställningen av färdig formatplåt sker genom riktning och uppklippning av band.
Bredbandvalsverket
I ett bredbandverk, fig 1.11, används stränggjutna eller götvalsade ämnen, slabs. Vid (1) kommer ämnena in från ämneslagret. De transporteras på en rullbana till värmningsugnen (2) som kan vara en genomskjutningsugn eller stegbalksugn. Från ugnen förs ämnena på en rullbana till skalbrytaren (3) som tar bort glödskalet. Nedvalsningen börjar i försträckan, bestående av ett reversibelt duopar (4) och två kvartopar (5) i tandemuppställning. Innan bandet går in i färdigsträckan klipps första änden bort i en sax (6). Slutvalsningen sker i färdigsträckan (7). Bandet passerar sedan kylsträckan (8) och hasplas via ett matarverk (9) på haspeln (10). 9 1
3 2
4
5
6
7
Temperaturvariationer i bandet kan orsaka problem med tjockleksvariationer. Därför används styva valsstolar samt styrsystem som automatiskt reglerar tjockleken.
Kallvalsning
8
10
Fig 1.11 Valsning av breda band.
stödvals arbetsvals
Först måste stålet vara väl rengjort. De varmvalsade banden är täckta av järnoxid som måste tas bort. Rengöringen sker genom betning eller slungrensning. För att få ett högt tryck på bandet vid valsningen krävs en liten diameter på arbets valsarna, fig 1.12. Dessa stöds av ett antal stöd Materiallära för svetsare
Kap 01 Svetslara EWS.indd 13
Fig 1.12 Kallvalsning av band i ett kvartoverk. 13
2010-07-14 15.25
1. Introduktion till stål
valsar med större diameter. Arbetsvalsarna behöver också göras tunnformiga, bomberas, för att plåten ska bli jämntjock. Vid valsningen blir materialets struktur kraftigt deformerad, fig 1.13. Kristallkornen blir tillplattade och utdragna. Materialet har fått kallvalsningsstruktur.
Fig 1.13 Vid kallvalsning blir
Det värme som alstras vid valsningen måste ledas kristallkornen tillplattade, man får bort. Band och valsar kyls därför med en oljeemuls kallvalsningsstruktur. ion, som samtidigt är smörjande.
Glödgning
Vid kallvalsningen ökar stålets hållfasthet och hårdhet, medan formbarheten minskar. Genom mjukglödgning återställs mjukheten och formbarheten, medan hållfastheten sjunker. En mellanglödgning är därför oftast nödvändig för att kunna fortsätta valsningen. En sådan rekrist alliserande glödgning kan också användas efter färdigvalsningen om man vill ha tillbaka mjukhet och formbarhet.
Klippning
Spaltning
Härdning
En del band härdas och anlöps efter valsningen. Bandet får först passera genom en elektrisk ugn och kyls sedan i ett bad med olja eller bly. Stålet blir då hårt och sprött och måste anlöpas för att få lämplig seghet.
Härdning
Efterbehandling
Den kallvalsade plåten genomgår flera efterbe handlingar för att uppfylla köparens krav, fig 1.14. Klippning och skärning Genom klippning, spaltning, delas banden upp i de längder och bredder som önskas. Man erhåller flera, men smalare, bandrullar.
Glödgning
En del material riktvalsas. Kanterna bearbetas genom filning, hyvling eller slipning för att bli jämna. De kan fås skarpa eller avrundade. Yt- och värmebehandling Genom olika värmebehandlingar, t.ex härdning och glödgning, kan egenskaperna anpassas efter kund ens önskemål.
14
Kap 01 Svetslara EWS.indd 14
Fig 1.14 Vid efterbearbetningen av valsade band kan dessa bl.a klippas, spaltas, härdas eller glödgas. Materiallära för svetsare
2010-07-14 15.25
1. Introduktion till stål
En del material färgas genom en extra anlöpning varvid oxider bildas som ger gul eller blå färg. Materialet kan också förses med ytbeläggningar av olika slag. Genom putsning, slipning eller polering kan materialets ytor påverkas.
Syning
Materialet kontrolleras i olika stadier av tillverkningen. Ju tidigare felaktigheter upptäcks ju mindre mängd felaktigt material behöver genomgå de dyrbara efterbehandlingarna. Kontrollen kan avse dimensioner, ytor och planhet.
Kontinuerlig glödgning
Ett exempel på kontinuerlig glödgning är anläggningen vid SSAB i Domnarvet. Den används för glödgning av konventionella pressplåtsstål, men lämpar sig också väl för tillverkning av höghållfast pressplåt. Anläggningen är uppbyggd på följande sätt: Det kallvalsade band et passerar först ett elektrolytiskt ren ingsbad och värms därefter upp till ca 730°C. Bandet kyls därefter mycket snabbt. Efter ytterligare ett reningsbad upphettas stålet på nytt till 350°C. Till sist går bandet genom ett trimvalsverk, kantklipps och avsynas innan det oljas in och hasplas upp.
Fig 1.15 Nya höghållfasta stål används bl.a för att göra bilkarosser lättare. Här SSAB’s ULSAB-projekt.
Färdigställningstiden i processen är tio minuter jämfört med flera dygn om glödgningen sker i klockugn. Vid tillverkning av höghållfast pressplåt fungerar anläggningen som en härdningsanläggning. Uppvärmningen till 730°C under kort tid gör att 15–20% av ferriten i materialet omvandlas till austenit. Genom den mycket snabba kylningen omvandlas denna austenit till martensit, som sedan anlöps vid den efterföljande uppvärmningen. Slutprodukten får en blandning av två faser (Dual Phase), ferrit och anlöpt martensit. Denna blandning är mycket gynnsam då det gäller att nå en god balans mellan stålets formnings- och hållfasthetsegenskaper. Materiallära för svetsare
Kap 01 Svetslara EWS.indd 15
15
2010-07-14 15.25
1. Introduktion till stål
Valsning av stång, profil och tråd Stångstål kallas stål som har runt, ovalt, halvovalt, kvadratiskt, rektangulärt, sex- och åttkantigt tvärsnitt. Om stålet har inbuktade sidor eller vinklar kallar man det i stället för profilstål, t.ex U-profil, I-profil. Järnvägsräls är ett exempel på profilstål.
Formgjutning Vid komplicerade former används formgjutning. Den flytande metallen hälls i en gjutform, som ger materialet den slutliga formen. Materialets egenskaper blir något sämre än vid plastisk bearbetning. Viss risk för porer och håligheter kan förekomma.
Tillverkning av stålrör Rör hör till stålverkens stora produkter. Det finns många konstruktioner tillverkade av stålrör runt oss. Stålrör används till cykelramar, flygplansdelar, till vatten-, värme-, olje- och gasledningar. En ånganläggning kan innehålla miltals med rör. Stålrör används också för tillverkning av maskindelar, t.ex axlar.
Rörtillverkningsmetoder – översikt
Rör framställs på följande fem olika sätt: 1. Gjutna rör Man utgår från smält stål och gjuter det direkt till rörform. 2. Sömlösa rör Man utgår från en rund stålstång, som hålas och bearbetas. Eftersom man därvid inte får någon längsgående skarv kallas rören sömlösa. Ämnet värms till hög temperatur varefter hålet görs, hålning. Därefter varmbearbetas rörämnet genom valsning mellan två valsar och en plugg som sitter inne i hålet. 3. Bearbetning i varmskjutbänk Ett hålat ämne dras genom mindre och mindre hål tills rätt dimension erhålls. Metoden liknar tråddragning.
16
Kap 01 Svetslara EWS.indd 16
Fig 1.17 Hålning av fyrkantämne för rörtillverkning. Materiallära för svetsare
2010-07-14 15.25
1. Introduktion till stål
4. Strängpressning Det varma materialet pressas genom ett munstycke, som ger den slutliga formen. Metoden används framför allt för aluminiumprofiler och -rör.
Plugg
5. Rör med söm Utgångsmaterialet är valsade stålband, som i ett flertal rullar formas till ett långt rör. Spalten fogas samman genom svetsning eller falsning. Även spiralsvetsade rör kan förekomma.
Hålning till rörämnen
Hålningen kan göras på flera sätt. En metod är presshålning, fig 1.16. Ett fyrkantigt massivt ämne, som upphettas till hög temperatur, placeras i en rund form. En rund stång, dorn, trycks in i ämnet så att dornet gör ett runt hål i ämnet och pressar ut stålet mot formens runda vägg. Hålade ämnen kan även framställas genom valsning med Stiefel- eller Mannesmannmetoden, fig 1.17–18. Det runda och massiva heta ämnet bearbetas genom att det får rotera mellan två valsar, som går åt samma håll.
Fig 1.17 Hålning av ämne enligt Stiefelmetoden.
Plugg
Ämnet ligger alltså mellan valsarna som en tredje vals. Valsarna är utformade och placer ade så att det roterande ämnet också drivs framåt. Fig 1.18 Hålning av ämne enligt Bearbetningen, som i vissa lägen ger ämnet oval Mannesmannmetoden. form, medför en sträckning av ytskiktet och utdragning av de inre partierna. En hålighet bildas då i ämnet. Även temperaturskillnaden mellan ämnets yttre och inre delar bidrar till hålighetens bildande.
Färdigframställning av rör
Varmvalsning av rör över plugg. Valsningen sker i duoverk, vars valsar har flera runda spår av olika storlek, fig 1.19. När ämnet kommer till det första spåret möts det av en plugg, som sitter på en stång. Denna håller fast pluggen när ämnet förs fram av valsarna och bearbetas. Valsverken är inte reversibla så röret förs tillbaka till startläget och förs in i nästa mindre vals. Fig 1.19 Varmvalsning av rör över plugg. Materiallära för svetsare
Kap 01 Svetslara EWS.indd 17
17
2010-07-14 15.25
1. Introduktion till stål
Bearbetning i varmskjutbänk. Principen är densamma som vid tråddragning. Det hålade ämn et med kvarvarande botten fästs på ett dorn och pressas sedan genom hålen i ett antal skivor med stegvis mindre diameter, fig 1.20. På så sätt minsk as rörets godstjocklek och yttre diameter. Inner diametern bestäms av dornets diameter. I moderna skjutbänkar är skivorna ersatta av valsrullar.
Fig 1.20 Framställning av rör i en varmskjutbänk.
Strängpressning. Metoden kallas även extrusion. Ett hålat och upphettat ämne samt smörjmedel placeras i en cylinder, fig 1.21. Denna är i ena änden försedd med ett runt munstycke, matris. En kraftig press trycker först ett dorn genom ämnet. Därefter pressas ämnet genom hålet i matrisen så att ett rör bildas omkring dornet. Strängpressning har länge använts för framför allt aluminium. Stål däremot orsakar stort verktygsslitage, men genom att använda glaspulver som smörjmedel kan vissa rördimensioner framställas. Metoden används för tillverkning av rostfria stålrör. Ämnet måste vara fritt från glödskal och värms därför induktivt med högfrekvensström. Uppvärmningen går då mycket snabbt och oxidationen blir liten. Upp till 20 meter långa rör kan tillverkas. Fig 1.21 Strängpressning av stålrör. Reducervalsning. Den minsta ytterdiameter som kan valsas över plugg är ca 28 mm. För varmskjutning går gränsen vid ca 55 mm. Mindre dimensioner tillverkas därför genom valsning i reducervalsverk, fig 1.22. Minsta diameter med reducervalsning är ca 20 mm, med en godstjocklek på 2,5–3 mm. Sömlösa rör av ännu mindre dimens ioner kräver kallbearbetning.
Fig 1.22 Minskning av rörets ytter diameter genom reducervalsning. 18
Kap 01 Svetslara EWS.indd 18
Materiallära för svetsare
2010-07-14 15.25
1. Introduktion till stål
Rör tillverkade genom valsning över plugg eller genom varmskjutning kalibreringsvalsas ofta. Den yttre diametern justeras då till rätt värde. En del rör genomgår rullriktning för att bli raka.
Kallbearbetning av rör
Genom kallbearbetning kan rör med små dimensioner, finare yta och bättre hållfasthet tillverkas. Diameter och godstjocklek kan göras mycket klena, se t.ex en injektionsnåls spets! De vanligaste metoderna för kallbearbetning av rör är dragning och stegvalsning.
Fig 1.23 Kalldragning av rör över plugg.
Dragning av rör. Det varmbearbetade röret rens as från glödspån genom betning samt ytbehandlas så att smörjmedlet får fäste vid dragningen. Röret måste först spetsas i änden för att komma in i verk tygshålet, vilket sker genom smidning eller pressning. Tre olika dragningsmetoder används. Pluggdrag ningen är den mest använda metoden, fig 1.23. En plugg, som förts in i röret, medför att både diameter och godstjocklek minskas. Pluggdragning kan användas för rör med innerdiameter ned till 5 mm. Vid stångdragning följer en i röret inlagd stång med detta vid dragningen. Mycket små dimension er kan uppnås på detta sätt. Vid lösdragning används varken plugg eller stång utan röret dras genom ett litet hål. Metoden används inte så ofta, därför att endast diametern kan minskas. Stegvalsning. Valsverket har två arbetsvalsar, fig 1.24. Endast hälften av valsbanans omkrets är arbetande. Den andra hälften har en urgröpning. På den arbetande sidan är vals arna försedda med koniska, avsmalnande spår. Dessa bildar tillsammans en valsöppning. Valsningen sker på så sätt, att röret förs in mellan valsarna när öppningen är störst. Öppningen minskas vid valsarnas rörelse, med resultatet att röret blir smalare och längre. Vid en enda genomgång i stegvalsverket kan ett rör bli lika smalt och tunt som vid fyra till fem kallFig 1.24 Stegvalsverk med dragningar. Stegvalsningen har visat sig särskilt arbetsvalsarna skuggade. Materiallära för svetsare
Kap 01 Svetslara EWS.indd 19
19
2010-07-14 15.25
1. Introduktion till stål
lämplig för bearbetning av rör med hög kolhalt. Dessutom ger denna metod mycket långa rör.
Svetsning av rör
Genom svetsning kan man tillverka runda eller fyrkantiga rör, som är tunnare än varmbearbetade. De svetsade rören blir billigare i vissa dimensions områden. Rör med stor diameter och liten väggtjocklek kan tillverkas genom spiralsvetsning. Då stora krav ställs på kvaliteten används sömlösa rör. Svetsade rör används dock för så krävande konstruktionsdelar som t.ex ångpannetuber. Andra användningsområden är vatten-, gas-, olje- och värmeledningar. Rör med rak svets. Utgångsmaterialet är kallvalsade band. För grova dimensioner används även varmvalsade band. Efter betning klipps bandet till rätt bredd. Det formas sedan av spårade valsar så att ett rörformat ämne bildas, fig 1.25. En smal spalt lämnas öppen för svetsningen.
Elektroder
Fig 1.25 Svetsning av rör med
Svetsningen sker genom att en elektrisk ström med längsgående söm. låg spänning och hög strömstyrka släpps genom spalten. Strömmen tillförs genom två hjulformade elektroder, fig 1.26. Genom att spalten hålls ihop av tryckrullar kan strömmen passera och värma upp kanterna till smälttemperaturen så att en svets bildas. Den upphöjning, vulst, som bildas, skärs bort. Röret kyls, varefter det passerar ett kalibrer ings- och riktverk. Där justeras rörets ytter diameter och rakhet. Slutligen kapas röret med en ”flygande” såg, som förflyttar sig med samma hastighet som röret under kapningen. Svetsanläggningen är helt automatiserad. Produktionen är hög, 8–40 meter rör per minut.
Fig 1.26 Tryckrullar och svetselektroder vid svets ning av rör. Förstoring av område ur fig 1.25.
20
Kap 01 Svetslara EWS.indd 20
Materiallära för svetsare
2010-07-14 15.25
1. Introduktion till stål
Spiralsvetsade rör tillverkas genom att bandet lindas i spiral kring en cylinder, fig 1.27. Vid lindningen erhålls en spiralformad spalt, som sedan svetsas ihop. Metoden gör det möjligt att av band med samma bredd göra rör med mycket varierande diameter. Långa serier ger låga kostnader.
Fig 1.27 Spiralsvetsningsanlägg ning för rörtillverkning.
Vällda rör. Rör av lägre kvalitet kan framställas genom vällning. Metoden används dock inte vid rör tillverkning i Sverige. Vällning innebär en fogning av materialet vid hög temperatur genom tryck eller slag. Ett band upphettas i ugn till 1400°C och form as till ett rör i en serie valsar. Dessa pressar ihop kanterna så att en vällning sker. Därefter kapas röret i bestämda längder. Ytterdiametern justeras till rätt mått i ett kalibreringsverk.
Stålsorter Stål är material som till största delen består av järn och som har kol som det viktigaste legerings ämnet. Kolhalten i stål är högst 2%. Stålen framställs som olegerade eller legerade. Olegerade stål kallas även kolståloch innehåller 0,1–1,3% kol. Kolstålen får enligt europastandard även innehålla kisel och mangan. I kolstål finns även litet fosfor och svavel som gör stålet sprött. De får därför bara finnas i mycket låga halter. Legerade stål innehåller förutom max 2,0% kol även tillsatser av ett eller flera legeringsämnen. Exempel på sådana är kisel, mangan, krom, nickel, molybden, wolfram, kobolt och vanadin. Materiallära för svetsare
Kap 01 Svetslara EWS.indd 21
21
2010-07-14 15.25
1. Introduktion till stål
Man skiljer på s tål med låga legeringshalter, låg legerade stål, och stål med höga legeringshalter, höglegerade stål. I gruppen höglegerade stål ingår bl.a de rostfria stålen. Legeringstillsatserna görs i stålugnen e ller i skänken vid ståltillverkningen.
Varierande egenskaper
Genom att variera de olika legeringsämnenas halt er erhåller man stål med mycket varierande egenskaper. Exempel på egenskaper som påverkas är: • hållfasthet • formbarhet • svetsbarhet • nötningsmotstånd • härdbarhet • korrosionsmotstånd Genom att kombinera legeringstillsatser med värmebehandling och kallbearbetning kan ett stort antal legeringar och tillstånd med olika egenskaper framställas.
Stålens indelning
Efter användningsområde delar man in stålen i tre grupper: – konstruktionsstål – verktygsstål – rostfria stål Konstruktionsstål är det gemensamma namnet på flera olika ståltyper. Kolhalten är låg, i regel m ellan 0,1 och 0,6%. En del stål avsedda för svetsning innehåller endast 0,02% kol, m edan några fjäderstål har mer än 0,6% kol. Stålen tillverkas som olegerade e ller l åglegerade
Tabell 1.3 Stålens indelning Stål Konstruktionsstål Verktygsstål Rostfria stål
Allm. konstr.stål Tryckkärlsstål Maskinstål Seghärdningsstål Sätthärdningsstål Fjäderstål Automatstål
De används till bärande konstruktioner, tryckkärl, fartygsskrov och maskindetaljer och levereras varmvalsade, kallbearbetade och ibland värme behandlade. Intressanta egenskaper är god hållfasthet, slagseghet och svetsbarhet. Konstruktionsstålen delas in i mindre grupper efter användnings område. Verktygsstålen används för tillverkning av verktyg, t.ex svarvstål, borrar, knivar och mättolkar, eller till maskindelar. Önskvärda egenskaper är god slitstyrka, eggskärpa, hårdhet och seghet. Stålen 22
Kap 01 Svetslara EWS.indd 22
Materiallära för svetsare
2010-07-14 15.25
1. Introduktion till stål 0,4% 0,6% 0,8% 1,2%
Fig 1.28 Utseendet i mikroskop, strukturen, hos enkla konstruktionsstål, kolstål, med 0,4%, 0,6%, 0,8% och 1,2% kol vid några hundra gångers förstoring.
levereras vanligen i mjukt tillstånd, för att efter bearbetning, t.ex svarvning och fräsning, härdas till hårt sluttillstånd. Kolhalten är 0,6–1,2%. De rostfria stålen används i stället för kolstål när man vill undvika korrosionsangrepp. Stålen innehåller minst 12% krom samt nickel och molybden som legeringsämnen.
Allmänna konstruktionsstål
De allmänna konstruktionsstålen har relativt låg kolhalt, max 0,2%, är ganska sega och har god svetsbarhet. Stålen förekommer både med låg och hög hållfasthet och levereras i många olika tillstånd. Användningsområden är bärande konstrukt ioner i hus, broar, kranar, transportfordon, master, tankar och stolpar. Materiallära för svetsare
Kap 01 Svetslara EWS.indd 23
23
2010-07-14 15.25
1. Introduktion till stål
För att ytterligare förbättra hållfastheten, fig 1.29, kan man öka manganhalten (kolmanganstål) och även tillsätta mycket små mängder aluminium och titan (finkornstål) eller niob och vanadin (mikro legerade stål). De starkaste stålen får man genom värmebehandling (seghärdningsstål och borstål).
750 500 250
Borstål
Mikrolegerade finkornstål
1000 Kolmanganstål
Stål med låg kolhalt har låg hållfasthet och är mjuka. Genom att öka kolhalten hos kolstålen kan man öka hållfastheten, men inte hur mycket som helst, eftersom seghet och svetsbarhet försämras. Stål med mer än 0,2% kol är inte l ämpliga för svetsning.
Re (MPa)
Kolstål
• kolstål • kolmanganstål • mikrolegerade finkornstål • seghärdade stål • borstål
Seghärdade stål
Hållfastheten kan ökas genom olika legeringstill satser eller genom värmebehandling. De allmänna konstruktionsstålen tillverkas som:
Fig 1.29 Sträckgränsnivåer hos allmänna konstruktionsstål.
Borstål har hög hållfasthet i seghärdat tillstånd. Kolhalten ligger mellan 0,2 och 0,3%. Små tillsats er av bor förbättrar härdbarheten och höjer hållfastheten. Det finns borstål med brottgränser upp till 1 800 MPa. Hårdhet och slitstyrka är också bra. Stålen kan dessutom bockas och svetsas med gott resultat. Varmvalsade bandstål Kallformningsstål har högre hållfasthet i tunna dimensioner än traditionella stål och är dessutom lämpliga för bockning och pressning. Tjockleken varierar mellan 1,8 och 16 mm. Stålen har låg kolhalt, max 0,12% och är legerademed mangan, max 2,1%. Små tillsatser av finkornbildande ämnen höjer hållfastheten ytterligare. Exempel är bärande balkar i bilar, transportfordon och kranar. Rosttröga stål är låglegerade konstruktionsstål med små legeringstillsatser av fosfor, koppar och krom. Stålen rostar långsammare än kolstål. Varmvalsad grovplåt Varmvalsad grovplåt tillverkas i tjocklekar mellan 4 och 155 mm. Plåten går lätt att forma och används för svetsade konstruktioner, t.ex fartygsskrov och kemiska behållare. De flesta plåtkval 24
Kap 01 Svetslara EWS.indd 24
Materiallära för svetsare
2010-07-14 15.25
1. Introduktion till stål
iteterna behåller slagsegheten till –60°C.E xtra höghållfasta konstruktionsstål med mycket god svetsbarhet tillverkas seghärdade, Weldoxstål. Kallvalsad tunnplåt Kallvalsad tunnplåt är mycket lämplig för pressning och bockning. Plåten tillverkas genom kallvalsning av varmvalsade band. Kallvalsningenger snäva tjocklekstoleranser och goda formningsegenskaper samt fina ytor, lämpliga för ytbehandling. Bilkarosser, kylskåp och tvättmaskiner är exempel på produkter som tillverkas av kallvalsad tunnplåt. Metallbelagd plåt För produkter som riskerar att rosta kan metall belagd stålplåt användas. Utgångsmaterialet är varm- eller kallvalsad plåt, som ytbeläggs med ren zink e ller aluminium legerat med zink (Aluzink). Plåten kan b ockas, pressas och målas utan att ytskyddet förstörs. Användningsexempel är höljen till disk- och tvättmaskiner, bildetaljer, takbeklädnader och ljuddämpare.
Tryckkärlsstål
Tryckkärlsstål används till behållare utsatta för högt eller lågt inre tryck, t.ex gasflaskor, tryck luftsbehållare, ångpannor och vakuumkärl samt i ledningar för ånga och hetvatten. Stålen har relativt låg kolhalt, max 0,20%, och hög seghet. De kan användas i konstruktioner upp till 700°C och ner till –50°C utan att förlora hållfasthet ellerseghet. Tryckkärlsstålen kan svetsas. De finns som olegerade, låglegerade och rostfria. Vid haverier på tryckkärl är risken för a llvarliga olyckor stor. Arbetarskyddsstyrelsen har därför utarbetat regler för svetsning och provning av tryckkärl.
Maskinstål
Maskinstålen är lätta att bearbeta och forma. De är därför lämpliga för tillverkning av d etaljer som måste svarvas, fräsas eller smidas. Stålen är inte lämpliga att svetsas, eftersom kolhalten är för hög. De är heller inte avsedda att härdas. Kolhalten hos maskinstålen ligger mellan 0,25 och 0,60%. De används för tillverkning av t.ex a xlar, skruvar, muttrar och lastkrokar. Materiallära för svetsare
Kap 01 Svetslara EWS.indd 25
25
2010-07-14 15.25
1. Introduktion till stål
Seghärdningsstål
Seghärdningsstålen används till svetsade plåtkonstruktioner och till detaljer som måste vara mycket starka och slitstarka, t.ex vev- och e xcenteraxlar, vevstakar, kolvstänger, verktygshållare och kugghjul. Stålen tillverkas som varmvalsad grovplåt i färdighärdat tillstånd eller som stång för maskindetaljer i mjukglödgat tillstånd. Maskindetaljer bearbetas först och seghärdas sedan. Stål för seghärdning innehåller normalt 0,25 till 0,45% kol. De är ofta legerade med krom, nickel och molybden, vilket ökar härdningsförmågan. Ju högre legeringshalt, desto grövre dimension kan härdas till fullt härdjup. Härdningen sker vanligen i olja med anlöpning vid 550–675°C.
Sätthärdningsstål
Sätthärdningsstålen används till maskindetaljer med krav på en hård och slitstark yta samt en seg kärna med motståndskraft mot slag och vibr ationer. De har låg kolhalt, vanligen ca 0,2% och är l egerade med ca 1% mangan, krom, nickel och molybden. Stålen används i sätthärdat tillstånd, d.v.s efter höjning av kolhalten i ytskiktet härdas materi alet så att man får en hård yta och en seg, ganska mjuk kärna. Man får då y tspänningar, som h öjer utmattningshållfastheten. Exempel på sätthärdade produkter är kugghjul, verktygsfästen, vevtappar, kamaxlar, delningsskivor och kannbultar.
Fjäderstål
Fjäderstålen innehåller legeringsämnena krom, vanadin och molybden, vilket ger mycket höga hållfastheter. De används förutom till många olika typer av fjädrar också till pianotråd.
Automatstål
Automatstålen har låg kolhalt och är legerade med svavel och bly, vilket ger korta spån, fin yta och tillåter höga skärhastigheter vid skärande bearbetning. De a nvänds till detaljer som masstillverkas i NC-maskiner. Skruvar, muttrar, brickor, nipplar och axlar är några exempel.
26
Kap 01 Svetslara EWS.indd 26
Materiallära för svetsare
2010-07-14 15.25
1. Introduktion till stål
Verktygsstål
Verktygsstål är det gemensamma namnet på stålsorter som normalt a nvänds i verktyg. Kolhalten ligger mellan 0,6 och 1,2% och är h ögre än hos konstruktionsstålen. De levereras glödgade och härdas innan de används. Verktygsstålen är l egerade med krom, molybden, wolfram och vanadin. De har god slitstyrka, e ggskärpa, hårdhet och seghet. Stålen används till borrar, fräsar, svarvstål, mejsl ar, fi lar, gängtappar, men även till fixturer och håll are för press- och stansverktyg samt till gjutformar. I gruppen verktygsstål ingår o ckså snabbstålen. De innehåller höga legeringshalter av krom, molybden, wolfram, kobolt och vanadin. De har god slitstyrka och god hållfasthet vid förhöjd temperatur. Använd ningsområden är framför allt verktyg för skärande bearbetning.
Rostfria stål
Konstruktionsstål och verktygsstål har nackdelen att de rostar i fuktig miljö och vid påverkan av kemikalier. Om man ökar kromhalten i stålet till över 12% får man stål som inte rostar, sk rostfria stål. Även nickel används som legeringsämne. Rostfria stål används främst när man vill ha högt motstånd mot korrosion. Exempel på produkter är diskbänkar, detaljer till tvättmaskiner, bryggeri kärl, delar till ång- och vattenturbiner, rör, bords bestick, saxar och knivar. De rostfria stålen delas in im artensitiska, ferritiska och austenitiska stål.
Europeisk metallstandard Den nya europeiska materialstandarden ser o lika ut för olika material. Någon samordning mellan materialen har inte gjorts. Därför finns det ingen likhet mellan beteckningssystemen för a luminium, gjutjärn, koppar, stål eller zink. För aluminium är man nu färdig med standardis eringen. För stål har man kommit långt med vissa stålsorter, men bara börjat med en del andra. Det betyder att flera SS-normer för stål dragits in och inte längre gäller utan ersatts med nya EN-normer.
Materiallära för svetsare
Kap 01 Svetslara EWS.indd 27
Tabell 1.4 Jämförelse mellan tidigare SS-nummer och nya EN-beteckningar för några stål fd SS-nr EN-beteckning 1312 S235JRG2 1412 S275JR 1414-00 S275J2G4 1550-00 E295 1572 C35E 1650-00 E335 1655-00 E360 1672 C45E 1674 C50E 2225 25CrMo4 2244 42CrMo4 2245 41CrS4 2541 34CrNiMo6
27
2010-07-14 15.25
1. Introduktion till stål
Stålstandard enligt EN
Stålen indelas i två g rupper enligt SS-EN 10 027-1: Grupp 1 (stålnamn). Beteckningen bygger på stålens användningsområden och hållfasthet. Den består av en bokstav, som visar ståltyp, samt tre siffror som anger stålets ReL i MPa. Därefter följer en eller flera bokstäver och siffror (tilläggsbeteckn ingar) som anger ytterligare egenskaper såsom slagseghet, framställningssätt, värmebehandling, ytbeläggning mm.
Tabell 1.5 Bokstavskod för användningsområden Kod Ståltyp Exempel S Allm konstruktionsstål S355JR P Tryckkärlsstål P265NH L Rörledningsstål L360NA E Maskinstål E295
Tabell 1.6 Tilläggsbeteckningar Kod N M Q A L
Betydelse Normaliserat Termomekaniskt valsat Seghärdat Utskiljningshärdat Lågtemperaturanvändning
Beteckningarna används för allmänna konstrukt ionsstål, tryckkärlsstål, rörledningsstål och maskinstål. De olegerade stålen är standardiserade i SS-EN 10 025 och SS-EN 10 028 samt finkorn Exempel på stålbeteckning: stålen i EN 10028. SS-EN 10 113-2 – S355N J2 G3 Grupp 2 (stålnummer). Beteckningarna som grundas på stålets kemiska sammansättning har olika utseende beroende på ståltyp. Följande fyra beteckningssätt används:
SS-EN 10 113 = Standard för varmvalsade produkter av svetsbara finkornstål för allmänna konstruktionsändamål S allmänt konstruktionsstål 355 undre sträckgräns (ReL) = 355 MPa N normaliserat stål J2 slagseghetskrav på 27 J vid –20°C G3 stålet är desoxiderat/normaliserat
Ståltyp
Olegerat stål manganhalt under 1 %
Olegerat stål manganhalt minst 1 % Legerat stål inget leger ingsämne överstiger 5 % Automatstål
Legerade stål minst ett legeringsämne över stiger 5 %
Snabbstål
Exempel
C35E
28Mn6
X5CrNi18-10
HS2-9-1-8
Betydelse
olegerat stål (C) kolhalt 0,35 % (35) maximerad svavelhalt (E)
kolhalt 0,28 % (28) man ganlegerat (Mn) Siffran sex (6) anger manganhal ten multiplicerad med 4.
minst ett legeringsämne över 5 % (X) kolhalt 0,05 % (5), legerat med krom (Cr) och nickel (Ni) kromhalt 18% (18) nickelhalt 10% (10)
snabbstål (HS), wolfram halt 2 % (2) molybdenhalt 9 % (9) vanadinhalt 1 % (1) kobolthalt 8 % (8)
Kvalitetsklasser
I tidigare svensk standard har de svetsbara allmänna konstruktionsstålen kvalitetsklassificer ats enligt det system som har utarbetats av IIW (International Institute of Welding). I den nya ENstandarden 10 025 anges sex kvalitetsklasser som bestämmer kravet på slagseghet vid olika provningstemperaturer, tabell 1.7.
28
Kap 01 Svetslara EWS.indd 28
Tabell 1.7 Kvalitetsklasser för allmänna konstruktionsstål avseende slagseghetsprovning Kvalitets- Slagseghetsfordran klass Provtemp Slagenergi °C J Handelsstål -0 eller -2 – – B +20 27 Kvalitetsstål C 0 27 D –20 27 DD –20 40
Materiallära för svetsare
2010-07-14 15.25
2. Provning av material och svetsar
2. Provning av material och svetsar Materialprovning Med hjälp av olika materialprovningsmetoder kan man bestämma ett materials hållfasthet, d.v.s dess styrka. Materialprovning kan användas vid val av material eller vid kontroll av färdiga produkter. Här beskrivs några metoder för metallprovning. Metoderna indelas i förstörande och oförstörande. Förstörande provning innebär att en bit av materi alet skärs ut, d.v.s man slaktar en detalj. Vid oför störande provning däremot kan detaljen fortfar ande användas efter provningen, se även standard en MNC 610 ”Svetsteknik - Provning - Översikt. Det finns även ett antal speciella provningsmetoder såsom kontroll av korngränsfrätning, plattnings provning och ringvidgningsprovning. Dessa metod er behandlas inte här. Tabell 2.1 Metall- och svetsprovningsmetoder Förstörande metoder Oförstörande metoder Dragprovning längs svets SS-EN 876 tvärs svets SS-EN 895 Slagprovning SS-EN 875 Bockprovning SS-EN 910 Brytprovning Utmattningsprovning Mikroskopering
Hårdhetsprovning Radiografiprovning (RT) Ultraljudprovning (UT) Magnetpulverprovning Penetrantprovning (PT) Virvelströmsprovning (ET) Okulärbesiktning (OT)
SS-EN 1043-1 SS 11 41 01 SS 11 42 01 SS 11 44 01 SS 11 45 01 MNC 1120 F
Dragprovning Dragprovet
Provet ger noggranna uppgifter om ett materials statiska hållfast het. De vanligaste uppgifterna man får fram ur dragprovet är materialets sträckgräns, brott gräns och brottförlängning. Ett dragprov utförs i en dragprov ningsmaskin. En provstav med standardiserade mått spänns fast i maskinen och utsätts för Materiallära för svetsare
Kap 02 Svetslära EWS.indd 29
Ursprunglig mätlängd L0
Mätlängd efter brott L1
Fig 2.1 Principen för dragprovning. 29
2010-07-14 09.50
2. Provning av material och svetsar
Dragspänning
Dragspänning Brottgräns
Rm ReH ReL
Brottgräns
Rm Rp0,2
Sträckgränsområde
Förlängningsgräns
Töjning
Töjning 0,2%
Dragprovningsdiagram för kolstål
Dragprovningsdiagram för aluminium
Fig 2.2 Dragprovningskurva för en dragkraft, fig 2.1. När kraften ökas, töjer sig kolstål och aluminium. materialet. Först är töjningen elastisk upp till materialets sträckgräns, för att sedan bli plastisk. Ett annat ord för töjning är förlängning. Dragkraft och förlängning registreras i ett dragprovningsdia gram. Ur diagrammet kan sträck- och brottgränsen Elastisk = Formförändring för materialet bestämmas. utan permanent deformation
Dragkraften ökas tills provstaven går av. Storleken på dragkraften vid brott, Fb, avläses på en visare. Brottgränsen, Rm, räknas ut med följande formel:
Rm =
Plastisk = Formförändring orsakande permanent deformation
Fb A
där A är provstavens tvärsnittsarea innan prov ningen.
Spännings-töjningskurvan
Spännings-töjningskurvorna (dragprovningsdia grammen) för mjuka stål och aluminium visas i fig 2.2 och 2.3. Följande punkter kan utläsas ur kurvorna: Sträckgränsen, Re, utgörs av det lägsta eller det högsta värdet i det ”taggiga” töjningsförlopp som kallas flytområdet. Det lägre värdet kallas undre sträckgränsen, ReL, och det högre övre sträckgräns en, ReH. Skillnaden mellan dessa är 10–40 MPa hos stål. I Sverige anges vanligen den undre sträckgränsen, i andra länder oftast den övre. I de fall materialet inte har en utpräglad sträckgräns (gäller bl.a alum inium och rostfria stål) anges i stället förlängnings 30
Kap 02 Svetslära EWS.indd 30
Viktiga hållfasthetsbegrepp Sträckgräns Den belastning som materialet tål utan att få kvarstående formförändringar. Efter belastningen återgår provstaven till ursprunglig form. Brottgräns Den högsta belastning som materialet tål utan att brista. Brottförlängning Förlängningen i materialet vid brott. Materiallära för svetsare
2010-07-14 09.50
2. Provning av material och svetsar Tabell 2.2 Hållfasthetsuppgifter Benämning Beteckning
Enhet
Sträckgräns Undre sträckgräns ReL MPa Övre sträckgräns ReH MPa Förlängningsgräns Rp0,2 MPa Brottgräns R m MPa
Används för stål Används för stål Används för rostfria stål och icke järnmetaller
Brottförlängning
L1 − L0 ⋅100 L0
A5
%
Rm = brottgräns Fb = dragkraft vid brott A = provstavens ursprungliga tvärsnittsarea A5 = procentuell brottförlängning L0 = ursprunglig mätlängd L1 = längden efter brott L1–L0 = provstavens förlängning
Förklaring
gränsen, resttöjningsgränsen, Rp0,2, d.v.s spänn ingen vid en viss töjning, vanligen 0,2%. Proportionalitetsgränsen, Rprop, är den spänning upp till vilken töjningen enbart är elastisk (d.v.s kurvan är rätlinjig och töjningen återgår till noll vid avlastning). Hit gäller Hookes lag:
σ = E ⋅ε
Elasticitetsmodulen, E, ges av kurvans lutning (Estål = 210 000 MPa, EAl = 70 000 MPa).
ReH
σ = spänning (MPa)
ReL
Rprop
När sträckgränsen har nåtts töjer sig provstaven R p0,2 därefter jämnt längs hela mätlängden, samtidigt som spänningen stiger, materialet kallhårdnar. Denna töjning är plastisk (d.v.s den återgår inte helt vid avlastning). Kurvan planar ut mer och mer och når ett maxvärde. Maxspänningen kallas brott gräns, Rm. Vid denna punkt uppstår midjebildning, kontraktion. Midjan blir smalare och smalare och till slut går provstaven av.
Estål
Stål Aluminium Rprop
EAl
E-modulen = lutningen på kurvan
ε = töjning
(sortlös eller %) 0,2% Före provningen markerar man en mätlängd, L0, på provstaven (mätlängden är vanligen 5 eller Fig 2.3 Definition av proportional 10 gånger provstavens diameter eller 5,65 resp itetsgränsen, Rprop, upp till vilken 11,3 · √tvärsnittsarea för en platt provstav). Efter Hookes lag gäller. brottet läggs provstavsdelarna ihop och mätlängd en efter brott, L1, bestäms. Värdet på förlängningen (A5 eller A10) beräknas i %.
På materialcertifikat redovisas endast sträck- och brottgränser samt brottförlängningen. Sträck- och brottgränsen använder konstruktören vid hållfasthetsberäkningar. Brottförlängningen är mera ett mått på förmågan hos materialet att kunna formförändras. Ett högt värde är en säker het för att det inte brister vid tillfällig överbelast ning. I alla standarder ställs krav på att brottför längningen måste uppfylla ett minsta värde. Materiallära för svetsare
Kap 02 Svetslära EWS.indd 31
31
2010-07-14 09.50
2. Provning av material och svetsar
Provningsresultatet är i viss mån beroende av hur provningen har genomförts. Provstavsformen inverkar på resultatet, därför är provstavarna standardiserade. Övre sträckgränsen påverkas av dragningshastigheten och förlängningsvärdena är beroende av mätlängden. Därför är även själva dragprovningen standardiserad. Vid provning av svetsar uppstår vissa problem eftersom materialet inte är homogent. Brottgräns en går bra att bestämma, medan sträckgränsen varierar i den värmepåverkade zonen.
Slagprovning Segt och sprött brott
Ett materials förmåga att motstå slag kallas slag seghet. Brottet vid slag kan vara sprött eller segt. Med slagprovning mäter man denna egenskap. Ett material brister lättare om det har en anvis ning, t.ex repa eller ytfel, och samtidigt utsätts för dragspänningar eller slag. I anvisningen uppstår ett komplicerat spänningstillstånd. Många stål, speciellt allmänna konstruktionsstål, har hög slagseghet vid rumstemperatur, men brist er lätt (låg slagseghet) vid låga temperaturer.
Slagprovet
Provningen utförs på provstavar med kvadratiskt tvärsnitt. De är försedda med en anvisning, som har V-, U- eller nyckelhålsform, fig 2.4. I det vanliga ISO- eller Charpy-provet har man en maskinbear betad V-anvisning med mycket liten bottenradie. Av de angivna anvisningarna ger V-spåret det mest pessimistiska värdet. Provstaven placeras i en pendelhej are, fig 2.5. En hammare upphängd i pendeln faller ned från ett be stämt läge och träffar provstavens mitt. Staven går av och pendeln fortsätter upp på andra sidan. Ju högre pendeln går, sedan den slagit av provstaven, desto sprödare är materialet. Provningen utförs vid olika temperaturer.
Används för: Sega material V-format spår Spröda material U-format spår Spröda material Nyckelhålsspår
Fig 2.4 Anvisade slagprovstavar (Charpy-provstav). 32
Kap 02 Svetslära EWS.indd 32
Materiallära för svetsare
2010-07-14 09.50
2. Provning av material och svetsar
En typisk slagprovkurva för ett ferritiskt stål visas i fig 2.6. Temperaturen (°C) avsätts på x-axeln och slagenergin i Joule (J) avsätts på y-axeln. Vid högre temperaturer åtgår det högre energi för att slå av en stålstav. Brottet blir segt. Brottytan får ett fibr igt utseende med spår av plastisk deformation. Vid låga temperaturer går det däremot åt lägre energi för att slå av stålstaven. Brottet blir sprött och brottytan får kristallint utseende, utan spår av plasticering. Övergången mellan hög och låg energinivå sker ofta inom ett smalt temp eraturintervall, omslagsområdet. Man får här blandbrott. Provstav
Omslagstemperatur
Det är viktigt att känna till vid vilken temp eratur ett material ändrar sin slagenergi (slag seghet). Med omslagstemperatur, ITT (Impact Transition Temperature), menas övergången från segt till sprött brott. Ofta anges omslags temperaturen för slagenergin 27 J (40 J för hög hållfasta stål). Det går inte att jämföra slagseghet och omslagstemperatur uppmätta på en provstav med nyckelhålsanvisning med en stav med V-anvis ning.
Dimensionsberoende
Det finns ett dimensionsberoende som innebär, att klent material fungerar segare än grovt vid samma omslagstemperatur. Vid indelning av stål i kval itetsklasser är slagsegheten en viktig egenskap.
Fig 2.5 Pendelhejare för slagprovning (Charpy-hejare).
Slagsegheten eller omslagstemperaturen är ett mått på att stålet blivit riktigt tillverkat, t.ex rätt värmebehandlat. Slagenergi [J]
Stål
A
B
C
Seg nivå
27 Spröd nivå –20 Materiallära för svetsare
Kap 02 Svetslära EWS.indd 33
0
+20
Temperatur °C
Fig 2.6 Slagseghetskurvor för några olika stål. Vid 0°C är stål A och B sega, medan stål C är sprött. Vid –20°C är stål A segt, medan stål B och C är spröda. Omslagstemperaturen (ITT = Impact Transition Temperature) är i praktiken den temperatur, där absorberad energi är 27 J. 33
2010-07-14 09.50
2. Provning av material och svetsar
Undersökning med ”storprov” (Wells Wide Plate Test) 20 Lägsta användningstemperatur
Sambandet mellan slagseghet och omslagstemperatur för Charpystavar i stora svetsade, anvisade prover, sk Wells Wide Plate test, har undersökts. Spröd brott i bl.a tunga fartygskonstruktioner medförde stora problem när de tillverk ades svetsade i stället för nitade. Svets egenspänningar påverkade tydligen sprödbrottsrisken och gav sprödbrott oftare i grova plåtar än i klena.
°C
0 –20 –40
38 mm 25 mm
19 mm
–60 –80
13 mm
Stora provstavar med anvisningar, 6 mm 0,9 · 0,9 m, och med verklighetsliknande –100 svetsegenspänningar användes i för –100 –80 –60 –40 –20 0 20°C söken. Man gjorde en anvisning på halva Omslagstemperatur för Charpy V-stav foghöjden så att den efter svetsningen gick ut 27,5 J för Re ≤275 MPa, 40,7 J för Re >275 MPa ca 5 mm från smältgränsen på båda sidor in i plåten. Provstavar med olika hållfasthet och tjock Fig 2.7 Diagrammet visar sambandet mellan omslagstemper lek tillverkades. I en dragprovningsmaskin drogs staven vid olika temperaturer med svetsen längs och anvisningen vinkelrät mot dragriktningen. Vid en viss temperat ur fick man sprödbrott som startade i anvisningen.
aturen för ett Charpy V-prov och lägsta användningstemperaturen vid olika materialdimensioner. Avser svetsade, icke avspänningsglödgade svetsförband.
Man bestämde också slagseghetskurvorna. Om slagstemperaturen ITT utvärderades (slagenergin 27,5 J gällde för sträckgränser upp till 275 MPa och 40,7 J för högre värden). Resultaten redovisas i fig 2.7. På y-axeln anges lägsta drifttemperatur för konstruktionen (som är temperaturen där storprov en brast sprött). På x-axeln anges omslagstemper aturen ITT för de V-anvisade slagprovstavarna. Inflytandet av plåtens dimension framgår klart. Vid en och samma slagseghet är klena dimensioner sprödbrottssäkrare än grova. Undersökningen har betytt mycket för den tillämp ade sprödbrottsforskningen. Den ligger bl.a till grund för val av stål för tryckkärl enligt Brittisk Standard BS 5500.
Brytprovning Brytprovningen ger en god bild av inträngning, hopsmältning, oxidinneslutningar och porförekomst i svetsen. Ett sågat spår görs i svetsen och provet bryts i två delar, fig 2.8. Efteråt studeras brottyt 34
Kap 02 Svetslära EWS.indd 34
Materiallära för svetsare
2010-07-14 09.50
2. Provning av material och svetsar
orna visuellt eller i mikroskop. Syftet med provet är att mäta inträngning, spalter och hårdhet i svets och värmepåverkad zon samt att kontrollera mikro strukturen.
Bockprovning Bockprovet används för att utvärdera svetsens och det värmepåverkade områdets formbarhet. Även friheten från diskontinuiteter på eller nära ytan av svetsen och i dess närhet kan undersökas. Speciellt kan rotfel upptäckas med metoden. Svetsrågen bör bearbetas bort jäms med grundmaterialet. Därefter bockas provet runt ett dorn. Rotsidan vänds då utåt, fig 2.9. Även toppsidan kan kontrolleras med denna metod. Se även SS-EN 910. a. Såga spår
a
t Svets med bearbetad råge (toppsida)
b. Bryt
Skruvstäd b c. Granska
Fig 2.8 Brytprovning.
Sprickor i roten blir synliga efter bockningen
Fig 2.9 Bockprovning.
Utmattningsprovning Allmänt om utmattning
Ett materials brottgräns är den högsta spänning som materialet tål vid en enda belastning (statisk belastning). Brott kan dock inträffa vid spänningar under brottgränsen om belastningen upprepas ett stort antal gånger (dynamisk belastning). Detta kallas utmattning. Om en roterande axel utsätts för växlande tryckoch dragbelastningar under en längre tid kan den ändå brista fast den högsta belastningen väsentligt underskridit metallens statiska hållfasthet. Vid dynamisk belastning är det materialets utmatt ningsgräns som bestämmer om axeln ska gå av eller ej. Denna utgör den högsta belastning som Materiallära för svetsare
Kap 02 Svetslära EWS.indd 35
35
2010-07-14 09.50
2. Provning av material och svetsar
ett material tål utan att brista vid ett mycket stort antal belastningsväxlingar. Det finns flera olika provningsmetoder för att bestämma ett materials utmattningshållfasthet. Vanligast och billigast är provet med en roterande axel som utsätts för böjning, fig 2.10, a och b.
Prov med roterande böjning
Belastning F
Punkt A
En rund provstav spänns fast i en prov ningsmaskin med ena änden i en chuck och den andra i ett kullager, som belastas med en kraft. Provstaven får rotera och utsätts på detta sätt för upprepade belastnings Punkt B växlingar mellan tryck och drag. Efter ett visst antal varv brister provstaven. Man Fig 2.10a Utmattningsprov med sätter in en ny provstav och ger den en något lägre roterande axel. belastning. Sedan får den rotera tills den brister. Punkt A utsätts för dragspänn
ingar och punkt B för tryckspänn Proven upprepas tills man finner en belast ingar. ning som inte leder till brott hur länge man än kör. Denna belastning motsvarar materialets utmattningsgräns. Av praktiska skäl kan man inte köra provet hur länge som helst. Har man konstat erat att en provstav håller för 10 miljoner varv, Belastning F så håller den även för ännu fler. Punkt B
Utmattningssprickor startar eller initi eras i anvisningar. Invid anvisningen uppstår lokala spänningskoncentrationer vid belastningen. En liten spricka bildas och växer till, propagerar. När en kritisk sprickstorlek nåtts, sker totalbrott. Svets Punkt A defekter såsom smältdiken, skarpa över gångar, slagg och andra fel utgör ofta startpunkten Fig 2.10b Ett halvt varv senare. för ett utmattningsbrott. Felställen finns alltid i Punkt B utsätts nu för drag spänningar och punkt A för både svetsade och icke svetsade konstruktioner.
tryckspänningar. Denna växling
Utmattningsbrott är ganska lätta att känna igen. mellan drag- och tryckspänningar Man kan av brottutseendet i många fall hitta start kallas för växlande belastning. punkten. Brottet, som är sprött sker vinkelrät mot belastningsriktningen. Det startar ofta i ytan.
Olika lastfall
Vid utmattningsprovning låter man vanligen lasten variera mellan ett max- och ett minvärde (som ofta är 0). Detta kallas pulserande belastning, fig 2.11. Ett annat sätt är att låta belastningen variera mellan drag och tryck med lika storlek, som vid 36
Kap 02 Svetslära EWS.indd 36
Materiallära för svetsare
2010-07-14 09.50
2. Provning av material och svetsar Spänningsvidd (amplitud) MPa 400 300 200 100
Utmattningsgräns Antal varv
0 104
105
106
Fig 2.11 Utmattningskurva, Wöhler-kurva, för ett stål med tydlig utmattningsgräns.
r oterande belastning. I båda fallen får frekvensen normalt vara konstant. Efter ett stort antal cykler sker brott, utmattningsbrott. Ett vanligt sätt att visa resultatet är i form av Wöhler- eller SN-kurvor. Här avsätts spännings vidden, σr, eller spänningsamplituden, σa, mot antalet belastningscykler, N. Spänningsvidden är skillnaden mellan max- och minspänning d.v.s dubbla spänningsamplituden, fig 2.12. Värdet på utmattningshållfastheten sjunker med ökat antal belastningscykler. För mjuka stål planar kurvan ut efter 106–107 cykler och blir konstant. Detta värde kallas utmattningsgränsen (fatigue limit). Under detta värde gäller obegränsad livs längd. Över värdet är livslängden begränsad.
Påverkande faktorer Utmattningshållfastheten påverkas av följande faktorer hos materialet: – brottgräns, Rm (gäller ej svetsade konstruktioner) – materialstruktur – ytfinhet – ytspänningar – temperatur – anvisningar – korrosiv miljö
Många metaller saknar tydlig utmattningsgräns, t.ex aluminium. Detta gäller även för stål om utmattningen sker i korrosiv miljö (korrosions utmattning). Spänning (MPa)
Pulserande dragbelastning
Medelspänningen σm = (σmax + σmin)/2
σmax σa
σm
σr (spänningsvidd) σmin
σmax
tid σm
σr
σa (spänningsamplitud)
σmin
Alternerande drag- och tryckbelastning
Materiallära för svetsare
Kap 02 Svetslära EWS.indd 37
Spänningsförhållande R = σmin / σmax
Fig 2.12 Pulserande dragspänn ingar och alternerande tryck- och dragspänningar. 37
2010-07-14 09.50
FÖR
Materiallära för svetsare är en faktabok som är anpassad efter EWFs kursplaner för svetsare och för utbildning till svetsspecialist (EWS). Boken kan även användas inom all annan svetsutbildning där materiallära ingår. Ur innehållet: -
stålframställning olika provningsmetoder metallografi och metallegenskaper materials förändring vid svetsning diskontinuteter användningsområden för olika metaller.
MATERIALLÄRA FÖR SVETSARE
MATERIALLÄRA
MATERIALLÄRA
FÖR
ISBN 9789147013098
Best nr. 47-01309-8
Tryck nr. 47-01309-8-03
9 789147 013098
Omslag.indd 1
10000
STAFFAN MATTSON
Boken är framtagen på initiativ av Svetskommissionen.
LIBER 2011-04-06 16.47