KARLEBO
S V E T SH A NDB OK Klas Weman
S J ÄT T E U P P L A G A N
KARLEBO SVETSHANDBOK Klas Weman Liber
Förord Denna handbok i svetsning har tillkommit på initiativ av Svetskommissio nen med önskemål om en modern svensk handbok inom området. Innehål let i boken har anpassats till IIWs krav för den internationella svetsutbildningen för att kunna utnyttjas som lärobok. Tanken är också att det ska vara en värdefull uppslagsbok för yrkesverksamma inom svetsbranschen. Flera personer har varit värdefulla medhjälpare vid arbetet med boken, bl.a. kan nämnas: Anders Bergqvist, ESAB, har medverkat som författare av det inledande kapitlet samt kapitlen om motståndssvetsning och hårdpåsvetsning. Claes Olsson, TechStrat, har skrivit kapitlet om konstruktiv formgivning. Claes-Ove Pettersson, Sandvik, har bearbetat avsnittet om rostfria stål. Mathias Lundin, Svetskommisionen, har uppdaterat kapitlet om kvalitet som Curt Johansson ursprungligen har skrivit. Staffan Mattson, AluminiumFörlaget, har bidragit med avsnittet om aluminumsvetsning. Gunnar Lindén, Air Liquide, har bearbetat och uppdaterat kapitlet om svetsekonomi från Sandvikens handbok. Han har också tillsammans med Ingvar Sallow hjälpt till med bedömning av uppläggning och innehåll av hela boken. För hjälp med granskning av det tekniska innehållet vill jag tacka LarsErik Stridh som lämnat värdefulla bidrag till utformningen av kapitlet om rörtrådsvetsning, Peter Nerman som specialist på plasmasvetsning och Kenneth Håkansson som bidragit med värdefulla synpunkter på pulverbågsvetsning. Jag vill också tacka Stefan Borg, Joakim Hedegård, Tony Nilsson och Daniel Stemne för hjälp med granskning och synpunkter I denna sjätte upplaga har flera uppdateringar och ändringar gjorts, särskilt i kapitlen om konstruktiv utformning och kvalitetssäkring där kraven i nya standarder har införts. Askersund i januari 2016 Klas Weman
Innehåll 1
Allmänt om svetsmetoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1 Historik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2 Definitioner och nomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3 Översikt av de vanligaste svetsmetoderna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.4 Val av svetsmetod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.5 Elektroteknisk översikt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Mätning av svetsdata. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 1.6
2 Gassvetsning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.1 Utrustning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3 Bågsvetsning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.1 Ljusbågen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.2 Standardisering av skyddsgaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.3 Standarder för trådelektroder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.4 Strömkällor för bågsvetsning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.5 TIG-svetsning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.6 Plasmasvetsning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.7 MIG/MAG-svetsning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 3.8 Metallbågsvetsning med belagd elektrod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 3.9 Pulverbågsvetsning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4 Trycksvetsning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 4.1 Motståndssvetsning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Friktionssvetsning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Högfrekvenssvetsning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Ultraljudsvetsning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Explosionssvetsning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Magnetpulssvetsning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Kalltrycksvetsning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8 Diffusionssvetsning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
155 163 166 166 167 168 170 170
Övriga svetsmetoder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
5.1 Elektroslaggsvetsning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Elektrogassvetsning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Bultsvetsning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Lasersvetsning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 Elektronstrålesvetsning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6 Termitsvetsning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
173 174 175 176 181 183
6 Skärmetoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 6.1 Termisk skärning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 6.2 Vattenstråleskärning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 6.3 Fogmejsling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
7 Ytbeläggningsmetoder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 7.1 Påsvetsning med rostskyddande beläggning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 7.2 Hårdpåsvetsning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 7.3 Termisk sprutning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8
Mekanisering och robotsvetsning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.1 Smalspaltsvetsning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bågsvetsning med robot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 8.3 Mekaniserad TIG-svetsning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4 Kvalitetskrav vid mekaniserad svetsning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
205 207 213 216
9 Lödning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 9.1 Allmänt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 9.2 Mjuklödning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 9.3 Hårdlödning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
10
Material och svetsbarhet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
10.1 10.2 10.3 10.4
Olegerat stål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Höghållfasta stål. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rostfria stål. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Svetsning av aluminium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
Konstruktiv utformning av svetsade produkter. . . . . . . . . . . . . 266
11.1 Inledning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Svetsbeteckningar på ritningar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 11.3 Svetsklasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4 Svetsegenspänningar, svetsdeformationer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.5 Konstruktiv utformning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.6 Dimensionering av svetsförband. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7 Analys av statiskt belastade svetsförband. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Utmattningsbelastade svetsade konstruktioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8 11.9 Referenser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
229 234 236 249
267 267 272 273 276 287 288 291 296
Kvalitetssäkring och kvalitetsstyrning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
12.1 Kvalitetskrav för svetsning (SS-EN ISO 3834). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 Tillsyn vid svetsning (SS-EN ISO 14731) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3 Svetsprocedurkvalificering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4 Svetsarprövning (SS-EN 287-1). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5 Oförstörande provning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
300 302 303 310 313
6
13 Svetsekonomi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 13.1 Svetskostnadsberäkningar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2 Några svetsekonomiska begrepp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3 Kostnadsberäkning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.4 Mekanisering, automatisering, robotisering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
315 316 318 322
14 Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
7
8
Allmänt om svetsmetoder
1 Allmänt om svetsmetoder
Historik
1.1 Historik Metoder för att sammanfoga metaller har varit kända i tusentals år. Smeder har i alla tider använt sig av vällning, varvid stålet har upphettats till nära smältpunkten och bearbetats med hammare. Denna metod kunde användas enbart för vanliga olegerade järn och den största kundgruppen var bönderna, vars jordbruksredskap ständigt var i behov av reparation. Detta var den enda typ av “svetsning” som förekom fram till 1880-talet. Först då kunde man börja utveckla svetsteknologin tack vare upptäckten av nya värmekällor med högre temperaturer än dem man tidigare lyckats uppnå i de kolbäddar smederna använt. Detta gjordes med gas men framför allt med hjälp av elektricitet. På 1830-talet upptäckte engelsmannen Michael Faraday att man kunde omvandla mekanisk energi till elektrisk med hjälp av en enkel transformator och en generator. Man kom så småningom underfund med att om man ledde en ström genom två stål som tryckts samman skulle övergångsmotståndet mellan dessa göra att en så hög värme utvecklades att de ”smälte ihop” på de punkter där strömmen gick. Motståndssvetsning Detta är grundprincipen för motståndssvetsning. Först ut med denna metod var amerikanen Thomson som i mitten på 1880-talet tog fram den första brukbara motståndssvetsmetoden med vilken han sammanfogade tråd- och stångformiga delar med varandra. Denna metod kallas stuksvetsning. Principen används även till brännsvetsning som fungerar ungefär som stuksvetsning men används för grövre material, exempelvis kätting. Efter sekelskiftet kom så metoder som fungerade enligt den här principen men som används för att foga samman överlappande plåtar. Dessa kunde delas upp i tre kategorier; punktsvetsning, pressvetsning och sömsvetsning.
Figur 1. Motståndssvetsning.
9
10
Allmänt om svetsmetoder
De används idag inom industrier som arbetar med relativt tunn plåt som t.ex. bilindustrin och vitvaruindustrin. Figur 1 visar principen för punktsvetsning: två kopparelektroder pressar ihop de överlappande plåtarna och en hög ström får plåtarna att smälta samman. Gassvetsning Gassvetsningen utvecklades i Frankrike i slutet av 1800-talet. Den första svetsbrännaren utvecklades av Edmund Fouche och Charles Picard omkring år 1900. Genom att utnyttja en blandning av oxygen (syre) och acetylen kunde en ovanligt hög förbränningstemperatur på över 3100 °C uppnås.
Figur 2. Gassvetsning.
Flera kraftiga explosioner inträffade dock under transport och lagring av acetylen. Henry Chatelier utvecklade 1896 en säkrare metod där han lagrade gasen upplöst i acetylen och ett poröst innehåll inuti behållaren. Säkerheten blev dock inte helt tillfredsställande förrän Gustaf Dalén år 1906 lyckades experimentera fram en explosionssäker massa, den s.k. AGA-massan, vilken består av granulerat träkol, asbest och kiselgur. Ett annat användningsområde för oxygen-acetylenblandningen blev skärning. Detta bygger på en fransk upptäckt från 1776 att järn kan antändas och förbrännas i ett oxygenflöde vid ca 1200 °C. Metoden vidareutvecklades och i och med den konstruktion på skärbrännare som togs fram av Charles Picard 1904 så kunde man skära regelbundna snitt och få skarpa kanter. Därmed hade man fått ett enormt viktigt redskap i den framväxande industrin. Bågsvetsning Vid en utställning i Paris 1881 presenterade ryssen Nikolai Benardos sin ”kolbågsmetod”, se Figur 3. Den gick ut på att arbetsstycket kopplades till den
Historik
ena polen på en strömkälla medan en kolstav kopplades till den andra. En elektrisk ljusbåge passerade då mellan staven och arbetsstycket som avgav en så hög energi att både fogytorna och ett tillsatsmaterial kunde smältas ned. Detta är principen för bågsvetsning. En landsman till Benardos, Nicolai Slavianoff utnyttjade istället en metallelektrod. Denna smälte vid svetsningen och fungerade därmed både som värmekälla och tillsatsmaterial. Eftersom svetsen inte skyddades från luft blev det påtagliga kvalitetsproblem (bland annat sprödhet).
Figur 3. Benardos patenterade metod för svetsning med en kolstav.
1907 fick svensken Oscar Kjellberg patent på den belagda elektroden. Han använde svetsning till reparation av bl.a. ångpannor men var missnöjd med de resultat han fick och experimenterade därför med att belägga elektroden med ett material som smälter och bildar en skyddande slagg. Resultatet blev häpnadsväckande och bildade grunden för det som idag är ett av världens största svetsföretag, ESAB (Elektriska Svetsnings AB). Kvalitetshöjningen gjorde det möjligt att använda svetsning till mer än nödtorftig reparation och 1920 sjösattes ESAB IV, ett av världens första helsvetsade fartyg som man idag kan se på Göteborgs Maritima Center. I början användes enbart likström vid svetsning och man utnyttjade stora batterier som strömkällor till svetsexperimenten. 1905 tog AEG i Tyskland fram en likströmsgenerator som lämpade sig för svetsning. Den första omformaren vägde runt ett ton och tog stor plats. Utvecklingen gick emellertid snabbt och redan på 20-talet kunde man börja använda växelström, vilket var en fördel eftersom man då kunde använda transformatorer och de var mindre och billigare än omformarna samt krävde mindre energi. Manuell handsvetsning med belagda elektroder eller MMA-svetsning (Manual Metal Arc-welding) blev den helt dominerande svetsmetoden i
11
12
Allmänt om svetsmetoder
Figur 4. Svetsning med belagd elektrod (MMA).
början och i Sverige förblev den dominerande fram till och med att varven avvecklades i början på 80-talet, se Figur 4.
Figur 5. Pulverbågsvetsning.
Redan på 20-talet började man experimentera med andra metoder. Man försökte mekanisera svetsprocessen med hjälp av en kontinuerlig elektrod. Mest framgångsrik blev pulverbågsvetsning där ljusbågen brinner under ett täcke av pulver, se Figur 5.
Figur 6. TIG-svetsning.
Historik
Under andra världskriget behövde flygindustrin en metod för svetsning av aluminium. 1940 gjordes experiment i USA med att skydda ljusbågen med en ädelgas. Genom att använda en volframelektrod kunde ljusbågen brinna utan att elektroden smälte. Metoden kallas numera TIG-svetsning (Tungsten Inert Gas), se Figur 6. Några år senare utvecklades också MIG-svetsning (Metal Inert Gas) som använder en tråd som kontinuerligt matas fram till en ljusbåge och som skyddas av en ädelgas, företrädesvis argon, se Figur 7. Ryssarna K. V. Lyubavskii och N. M. Novoshilov gjorde försök med att istället använda ren CO2 som var en mer lättåtkomlig gas. Genom att använda en kort ljusbåge (kortbågsvetsning) kunde man begränsa problemen med det sprut som då ville uppstå och få en stabil process. När man använder en kemiskt aktiv gas som CO2 eller en blandgas argon/CO2 kallas metoden MAG-svetsning (Metal Active Gas).
Figur 7. MIG/MAG-metoden.
Figur 8. Plasmasvetsning.
13
14
Allmänt om svetsmetoder
När plasmasvetsning, se Figur 8, introducerades 1953 fick man tillgång till en hetare och mer koncentrerad energikälla som gjorde det möjligt att både öka svetshastigheten och minska sträckenergin. Övriga svetsmetoder De mest intensiva värmekällorna som används för svetsning är elektronstråle och laser. Genombrottet för elektronstrålesvetsning (EB) kom 1958. Flyg- och kärnkraftindustrin var de första att utnyttja metoden. Elektron strålesvetsning utmärker sig för sin mycket djupa och smala inträngning. Den största nackdelen är att det behövs en vakuumkammare för elektronkanonen och arbetsstycket. Lasersvetsning har utvecklats sedan mitten på 1960-talet och har på många sätt idealiska egenskaper. Laserstrålen är en koncentrerad värmekälla som tillåter hög svetshastighet och ger mycket små deformationer av arbetsstycket. Tyvärr är en högeffektslaser stor och dyr men nya laserkällor utvecklas med förbättrade egenskaper. En intressant utveckling är laserhybridsvetsning där man kombinerar laser med en annan svetsmetod, ofta MIG-svetsning. MIG-svetsningen bidrar med svetsgods som då kan överbrygga spalter och fylla upp fogar samtidigt som lasern bidrar med den goda inträngningen. Friktionsomrörningssvetsning (FSW) patenterades 1992 av TWI i England. Här tillförs enbart mekanisk energi och värmen alstras av friktion som vid andra friktionssvetsmetoder. Svetsningen sker med ett roterande verktyg närmast liknande en fräs men ingen avverkning sker utan verktyget utför endast en omrörning av metallen i fogen utan att den uppnår smälttemperatur.
1.2 Definitioner och nomenklatur 1.2.1 Definitioner Här beskrivs några viktiga definitioner som hämtats från Svetsteknisk Ordlista som utgivits av Svetskommissionen. Svetsning Åstadkommande av förbindning mellan ett arbetsstyckes delar - med eller utan tillsatsmaterial - eller mellan arbetsstycke och tillsatsmaterial, genom energitillförsel i form av lokal uppvärmning till minst grundmaterialets smälttemperatur, genom plastisk lokal flytning eller genom atomär diffusion.
Definitioner och nomenklatur
Smältsvetsning Svetsmetod där arbetsstyckets delar lokalt värms till smältning och får sammansmälta med eller utan tillsatsmaterial men utan tryck. Trycksvetsning Svetsmetod med eller utan uppvärmning, där tryck används för att utföra svetsen. Svets (ej svetsfog), genom svetsning åstadkommen förbindning. Fog, svetsfog Ett för svetsning avsett, ofta särskilt utformat ställe mellan ett arbetsstyckes olika delar, vilka hålls i ett visst inbördes avstånd när svetsningen börjar. Påsvetsning (ej påläggsvetsning), påförande av tillsatsmaterial på en yta genom svetsning. Svetsbarhet Den egenskap hos ett metalliskt material som, vid användning av en given svetsmetod för ett givet ändamål, gör att en kontinuerlig metallisk förbind ning kan åstadkommas medelst ett lämpligt förfarande, varvid svetsen ska uppfylla de krav som ställs på svetsens lokala egenskaper och på dessas inflytande i den konstruktion, i vilken den ingår. a-mått Kälsvetsar beräknas för ett visst a-mått och detta anges sedan på ritningen. Vid mätning gäller höjden i den största likbenta triangel som kan skrivas in mellan fogytorna och svetsens toppyta, se Figur 9.
Figur 9. Mätning av a-mått.
15
16
Allmänt om svetsmetoder
1.2.2 Fogtyper Fogtypen väljs bl.a. med hänsyn till svetsmetod och godstjocklek. Man söker en fogutformning som tillfredsställer erforderliga hållfasthets- och kvalitetskrav utan en onödigt stor fogvolym. Svetskostnaderna ökar med fogvolymen och en ökad värmetillförsel (sträckenergi) kan ge problem med slagseghet och deformationer. Även fogberedningen kan vara kostsam, vid t.ex. stumfogar som V- eller U-fog. Det kan därför vara fördelaktigt med fogtyper där man som fogytor kan utnyttja arbetsstyckets delar, efter en enkel skärning eller klippning. Exempelvis är kälfog en av de mest använda fogtyperna. Några viktiga benämningar på fogens delar framgår av Figur 10.
Figur 10. Fogterminologi.
Figur 11. Några vanliga fogtyper.
Definitioner och nomenklatur
1.2.3 Svetsläge Man skiljer mellan i princip sex olika svetslägen: • PA, horisontalläge • PB, stående horisontalläge • PC, liggande vertikalläge • PD, under-upp • PE, under-upp • PF, stående, vertikal svetsning uppåt • PG, stående, vertikal svetsning nedåt Stående vertikalläge kan utföras med svetsning uppåt (PF) resp. svetsning nedåt (PG), se Figur 12. Kälfogar utförs ofta i de mellanliggande lägena PB och PD, se Figur 12 och Figur 13. Se även SS-EN ISO 6947 som även anger benämningar på svetslägen vid svetsning av rör.
Figur 12. Definition av svetslägen.
Figur 13. Definition av svetslägen för kälsvetsar. Inom parentes anges beteckning enligt AWS.
17
18
Allmänt om svetsmetoder
1.2.4 Viktiga kriterier Det finns ett antal olika begrepp för mätning av en svetsmetods lämplighet i en viss given situation. Insvetstalet, bågtidsfaktorn och utbytet är värden på metodens produktivitet medan sträckenergin kan användas för att uppskatta förutsättningarna för god svetskvalitet. Insvetstalet anger den mängd metall som per tidsenhet tillförs arbets stycket och räknas under den tid som svetsningen pågår. Det påverkas framförallt av strömstyrkan men också av svetsmetoden som används. Insvetstalet kan höjas även genom tillförsel av kall tråd (tråd som det ej går någon ström igenom utan som tillförs från sidan) eller tillskott av järnpulver i elektrodhöljet (vid MMA-svetsning) eller i fluxpulvret (vid pulver bågsvetsning). Vid MIG- eller pulverbågssvetsning kan man kan använda ett långt trådutstick (30-70 mm). Elektroden förvärms då innan den når ljusbågen och kan då smälta av snabbare. För belagda elektroder har insvetstalet som anges i elektrodhandböckerna så gott som alltid tagits fram vid maximal rekommenderad strömstyrka.
Figur 14. Insvetstal.
Sträckenergi har betydelse för svetsens avkylningshastighet och beräknas för bågsvetsmetoder enligt nedan:
där
Q = sträckenergi (kJ/mm) v = stränghastighet (mm/min) U = spänning (V) k = Termisk verkningsgrad I = strömstyrka (A) enligt SS-EN 1011-1
Definitioner och nomenklatur
Observera att vid pulsad svetsning kan man inte direkt utnyttja formeln för sträckenergi. Detta fall beskrivs närmare på sida 42. En låg sträckenergi innebär snabbare avkylning. Vid svetsning i stål med hög kolekvivalent och grov tjocklek kan man behöva använda sig av förhöjd arbetstemperatur för att undvika härdsprickor. För hög sträckenergi ger dålig slagseghet. Vid svetsning i tunnare material i vanligt konstruktionsstål är ofta svetsmetoder med låg sträckenergi att föredra med tanke på svetsspänningar och deformationer som annars lätt ställer till med problem.
Figur 15. Sträckenergi vid svetsning i 4 mm plåt.
Energitäthet (egentligen effekttäthet) anger hur koncentrerad värmetillför seln är. En låg energitäthet innebär att det tar längre tid att nå smältpunkten, vilket i sin tur ger en långsammare process och problem med värme som sprider sig med risk för deformationer, alltså en högre sträckenergi. Förde len med metoder som har låg energitäthet är emellertid att de medger god kontroll över svetsresultatet även vid manuell svetsning.
Figur 16. Energitätheten för några svetsmetoder.
19
20
Allmänt om svetsmetoder
Användning av metoder med hög energitäthet, exempelvis laser- och elek tronstrålesvetsning, tillåter svetsning med hög hastighet och låg sträckenergi och därigenom också små deformationer. Karakteristiskt för dessa metoder är också en smal fog och därmed stora krav på noggrann styrning. Metoderna med de högsta energitätheterna har därför mekaniserad styrning. Ett annat sätt att utnyttja hög energitäthet är att tillföra energin under kort tid. Detta utnyttjas vid bl.a. vid punktsvetsning, bultsvetsning och pulsad TIG-svetsning. Fördelen är även här att man med förhållandevis låg energi förmår att värma fogytorna till smältpunkten utan att alltför mycket värme hinner ledas bort till omgivningen.
Figur 17. Inträngningsbild för några metoder med olika energitäthet.
Bågtidsfaktorn anger förhållandet mellan den verkliga bågtiden, dvs. den tid då ström passerar genom elektroden, och svetsarens totala arbetstid. Utbyte. Med utbyte menas förhållandet mellan vikten på det tillsatsmate rial som kommit svetsen till godo och vikten på den nedsmälta svetstråden. Om en del av elektroden försvinner i form av sprut eller rök blir utbytet mindre än 100 %. I högutbyteselektroder ingår järnpulver i höljet och det innebär att utbytet kan bli upp emot 200 %.
1.3 Översikt av de vanligaste svetsmetoderna Svetsmetoderna kan med hänsyn till hur sammansvetsningen sker delas in i två huvudgrupper, nämligen trycksvetsning och smältsvetsning, se Figur 18. Vid trycksvetsning utnyttjas tryck för att utföra svetsen, med eller utan värme. Vid smältsvetsning upphettas fogytorna till smälttemperatur, varefter de smälts samman med eller utan tillsatsmaterial.
Översikt av de vanligaste svetsmetoderna
Figur 18. Schematisk överblick över de vanligaste svetsmetoderna.
21
22
Allmänt om svetsmetoder
1.3.1 Gassvetsning Vid gassvetsning utnyttjas den ovanligt höga flamtemperatur som erhålls vid förbränning av gaserna acetylen (C2H2) och oxygen (O2). Metoden har, på grund av konkurrens från ljusbågsvetsmetoder, minskat i betydelse men används fortfarande vid installations- och montagearbeten.
Tabell 1. Gassvetsning.
Produktionsaspekter
Krav på objekt
Produktivitet
Låg
Krav på grundmaterial
Hanterlighet
Hög
Fogberedning
Ja
Inträngning
Låg
Fogrengöring
Ja
Normal
Passningskrav
Lågt
Risk för genombränning
Svetskvalitet Utseende Seghet, hållfasthet Sträckenergi Utbildningsbehov
Medel
Miljö Bra Medel Mycket hög Lågt
Rök Värme
Lite Acceptabelt
Strålning
Låg
Underhållskostnad
Låg
Översikt av de vanligaste svetsmetoderna
1.3.2 Manuell metallbågsvetsning Svetsning med belagda elektroder, förkortas ofta MMA (Manual Metal Arc). Bågsvetsmetod där ljusbågen smälter ned en stavformad elektrod som är belagd med ett hölje. Höljet är så sammansatt att det ger erforderligt skydd och de rätta egenskaperna vid svetsningen.
Tabell 2. MMA-svetsning.
Produktionsaspekter
Krav på objekt
Produktivitet
Medel
Hanterlighet
God
Fogberedning
Ja
Inträngning
Medel
Fogrengöring
Ja
Stor
Passningskrav
Normala
Risk för genombränning
Svetskvalitet Utseende
Krav på grundmaterial
Normala
Miljö Medel
Rök
Seghet, hållfasthet
Hög
Värme
Sträckenergi
Hög
Strålning
Utbildningsbehov
Litet
Underhållskostnad
Ja Acceptabel Ja Låg
23
24
Allmänt om svetsmetoder
1.3.3 Gasmetallbågsvetsning En ljusbåge smälter en kontinuerligt frammatad elektrod i en skyddsgas. Beroende på val av skyddsgas används benämningen MIG (Metal Inert Gas) om det är en helt inert gas eller MAG (Meta l Active Gas) om det helt eller delvis är en aktiv gas (vanligen CO2) som åtminstone i någon mån kan reagera med den smälta metallen.
Tabell 3. MIG/MAG-svetsning.
Produktionsaspekter
Krav på objekt
Produktivitet
Hög
Hanterlighet
Medel
Fogberedning
Ja
Inträngning
Medel
Fogrengöring
Normal
Ja
Passningskrav
Normala
Risk för genombränning Svetskvalitet Utseende Seghet, hållfasthet Sträckenergi Utbildningsbehov
Krav på grundmaterial
Normala
Miljö Bra Medel Låg Medel
Rök
Normal
Värme
Ja
Strålning
Ja
Underhållskostnad
Hög
Översikt av de vanligaste svetsmetoderna
1.3.4 TIG-svetsning TIG står för Tungsten Inert Gas. Gasbågsvetsning med en elektrod av volfram som inte smälter vid svetsningen. Skyddsgasen är inert, bl.a. för att inte den heta elektroden ska ta skada. Tillsatsmaterial kan vid behov till föras från sidan. Metoden används ofta vid krävande svetsning i bl.a. rostfritt stål och aluminium.
Tabell 4. TIG-svetsning.
Produktionsaspekter
Krav på objekt
Produktivitet
Låg
Hanterlighet
Medel
Fogberedning
Ja
Inträngning
Medel
Fogrengöring
Ja
Risk för genombränning
Liten
Passningskrav
Höga
Svetskvalitet Utseende
Krav på grundmaterial
Höga
Miljö Mycket bra
Rök
Seghet, hållfasthet
Bra
Värme
Sträckenergi
Hög
Strålning
Utbildningsbehov
Stort
Underhållskostnad
Låg
Acceptabel Ja Medel
25
26
Allmänt om svetsmetoder
1.3.5 Plasmasvetsning Som vid TIG-svetsning en gasskyddad metod med en elektrod som inte smälter. Skillnaden är att ett ytterligare gasflöde tillsammans med bågen bildar en het plasmastråle med bättre inträngningsförmåga. Plasmasvetsning utnyttjas främst vid mekaniserad svetsning.
Tabell 5. Plasmasvetsning. Produktionsaspekter
Krav på objekt
Produktivitet
Hög
Hanterlighet
Medel
Fogberedning
Ja
Inträngning
Medel
Fogrengöring
Ja
Risk för genombränning
Liten
Passningskrav
Mycket höga
Svetskvalitet Utseende
Krav på grundmaterial
Höga
Miljö Mycket bra
Rök
Acceptabel Acceptabelt
Seghet, hållfasthet
Medel
Värme
Sträckenergi
Liten
Strålning
Utbildningsbehov
Stort
Underhållskostnad
Ja Medel
Översikt av de vanligaste svetsmetoderna
1.3.6 Pulverbågsvetsning Vid pulverbågsvetsning utnyttjas en kontinuerlig avsmältande elektrod med en ljusbåge som brinner under en sträng av pulver. En del av pulvret smälter och bildar en skyddande slagg. Metoden är normalt helt mekaniserad och ger möjlighet till mycket högproduktiv svetsning. Det pulver som blir över sugs upp i en behållare och återanvänds. Vanligt är också att man bygger på med två eller tre elektroder som arbetar i samma smältbad vilket ytterligare ökar produktiviteten. Tack vare det skyddande pulvret är pulverbågsvetsning trots sin höga produktivitet en miljövänlig metod utan rök och irriterande ljusstrålning.
Tabell 6. Pulverbågsvetsning. Produktionsaspekter
Krav på objekt
Produktivitet
Hög
Krav på grundmaterial
Medel
Hanterlighet
Låg
Fogberedning
Ja
Inträngning
Hög
Fogrengöring
Ja
Risk för genombränning
Ja
Passningskrav
Medel
Svetskvalitet
Miljö
Utseende
Mycket bra
Rök
Nej
Seghet, hållfasthet
Medel
Värme
Acceptabelt
Sträckenergi
Medel/hög
Strålning
Nej
Utbildningsbehov
Stort
Underhållskostnad
Låg
27
28
Allmänt om svetsmetoder
1.3.7 Lasersvetsning Vid lasersvetsning använder man sig av en laserstråle för att smälta materi alet. Då denna är en koncentrerad stråle (några tiondels mm i diameter) ger den en mycket koncentrerad och precis uppvärmning av grundmaterialet och därmed en hög svetshastighet i tunna material. Sträckenergin blir låg vilket innebär små värmespänningar och deformationer.
Tabell 7. Lasersvetsning. Produktionsaspekter
Krav på objekt
Produktivitet
Hög
Hanterlighet
Medel
Fogberedning
Ja
Inträngning
Medel
Fogrengöring
Ja
Ja
Passningskrav
Mycket höga
Risk för genombränning Svetskvalitet Utseende Seghet, hållfasthet
Sträckenergi Utbildningsbehov
Krav på grundmaterial
Höga
Miljö Mycket bra God
Mycket låg Stort
Rök Värme
Strålning Underhållskostnad
Ja Acceptabelt
Ja Hög
Översikt av de vanligaste svetsmetoderna
1.3.8 Elektronstrålesvetsning Elektronstrålesvetsning sker i en vakuumkammare där en elektronkanon alstrar en intensiv elektronstråle som fokuseras på svetsobjektet. På så sätt får man en koncentrerad smälta och stor inträngning. Metoden har extremt hög energitäthet och dess koncentrerade stråle gör det möjligt att svetsa i grova godstjocklekar och material som annars är svårsvetsade, som t.ex. titan, volfram och molybden. Metoden är helt automatiserad.
Tabell 8. Elektronstrålesvetsning.
Produktionsaspekter
Krav på objekt
Produktivitet
Hög
Krav på grundmaterial
Hanterlighet
Låg
Fogberedning
Ja
Inträngning
Mycket hög
Fogrengöring
Ja
-
Passningskrav
Mycket höga
Risk för genombränning
Svetskvalitet Utseende Seghet, hållfasthet Sträckenergi Utbildningsbehov
Medel
Miljö Mycket bra God Mycket låg Stort
Rök
Nej
Värme
Låg
Strålning Underhållskostnad
Acceptabelt Hög
29
30
Allmänt om svetsmetoder
1.4 Val av svetsmetod Parametrar vid val av svetsmetod Det finns, som redan nämnts, ett flertal olika metoder för snart sagt varje til�lämpning. Ofta överlappar de olika användningsområdena varandra och man kan välja mellan ett flertal metoder för att utföra ett visst arbete. De faktorer man måste ta hänsyn till är: • Typ av material • Ekonomi • Åtkomlighet • Krav på kvalitet • Miljö • Krav på produktivitet • Tillgänglig utrustning • Krav på driftssäkerhet • Svetsarens kunskaper Vid manuell svetsning är lönen den helt dominerande kostnaden. Emeller tid måste den vägas mot investeringskostnaderna av en dyr svetsutrustning. Tabell 9 visar en jämförelse mellan de vanligaste svetsmetoderna, utifrån ovanstående kriterier. Tabell 9. Val av svetsmetod. Stål 0,5-3 mm MIG/MAG med solidtråd
x
Stål >3,0 mm x
Stålrör x
MIG/MAG med rörtråd
x
MMA-svetsning
x
x
TIG-svetsning
x
(x)
(x)
Plasmasvetsning
x
x
x
x
x
(x)
x
Pulverbågsvetsning Lasersvetsning Gassvetsning
x
Icke-järn metaller x
x
(x)
x
Observera också att det finns stora skillnader i energitäthet mellan meto derna. Det gör att t.ex. gassvetsning och lasersvetsning får helt olika tillämpningsområden. Gassvetsning som har hög sträckenergi är lätt att svetsa med för hand men är långsam och ger stora värmespänningar. Med lasersvetsning är det precis tvärt om.
Elektroteknisk översikt
1.5 Elektroteknisk översikt 1.5.1 Elektriska grundbegrepp Ström och spänning Med elektrisk ström menas ett flöde av elektriskt laddade partiklar. Om antalet fria elektroner inuti en ledare ökas eller minskas uppstår en elektrisk laddning eller potential. Eftersom elektronen har negativ laddning innebär ett överskott på elektroner en negativ potential och underskott en positiv potential. Det är skillnaden i potential som kallas spänning och som driver fram strömmen av elektroner. Jämför gärna med tryck och flöde hos en gas eller vätska. Spänningen mäts i volt [V] och strömmen i ampere [A].
Strömkällor För att ström ska flyta fordras en sluten krets, samt någonting som alstrar den erforderliga spänningen. För att alstra större effekter används genera torer som omvandlar mekanisk energi till elektrisk. I små bärbara apparater är det mer praktiskt att använda batterier där kemisk energi utnyttjas. Vid svetsning talar vi också om strömkällor även om det endast handlar om en omformning av den elektriska energin från elnätet så att den ska passa för svetsning.
Likström och växelström En strömkälla kan lämna likström eller växelström. Ett batteri avger likström medan en enkel generator kan avge växelström. I fallet växelström växlar strömmen riktning med en viss frekvens. På elnätet i Europa används 50 Hz (herz)
Figur 19. Principen för en växelströmsgenerator.
Fördelen med växelström är att spänningen lätt kan ökas eller minskas i en transformator. För att transportera elektrisk energi långa sträckor är det
31
32
Allmänt om svetsmetoder
praktiskt att utnyttja högspänning eftersom strömstyrkan och därmed förlusterna i kraftledningen då blir lägre.
Medelvärde eller effektivvärde Om man mäter strömmen eller spänningen med ampere- eller voltmeter är det viktigt att veta skillnaden mellan medelvärde och effektivvärde. Helt ren likström är inte så vanligt, ofta förekommer pulsationer, t.ex. vid svetsning. Man använder då instrument som visar medelvärdet av strömmen. Effektivvärdet används när man mäter växelström eller växelspänning. Effektivvärdet av en växelström motsvarar styrkan hos den likström som skulle ge samma effektutveckling. Följande gäller för växelspänningen 230 V som vi har i våra vägguttag: 207 V Medelvärde1 Effektivvärde 230 V Toppvärde 325 V
Resistans Olika ledarmaterial har olika elektrisk ledningsförmåga. En lång och smal ledare ger ett elektriskt motstånd, resistans, som beror på längden (L), ledararean (A) men också på materialets resistivitet (r). Resistansen mäts i ohm [W] och kan beräknas enligt R = ρ · L/A Resistiviteten är temperaturberoende. Hos de flesta metaller ökar den med ca 0,4 % per °C. För att vara tydlig används ordet motstånd för den elektriska komponenten medan resistans alltså är en elektrisk egenskap.
Ohms lag Spänningsfallet (U) hos en ledare eller ett motstånd kan beräknas med Ohms lag om man känner dess resistans (R) och strömmen (I) U=R·I
1 Om man ska vara helt korrekt är medelvärdet av en växelström noll, eftersom positiva och negativa halvperioden är lika stora. Här avses medelvärdet av strömmens belopp (medelbeloppet).
Elektroteknisk översikt
Effekt Om ström leds genom elektriskt motstånd uppstår inte bara ett spännings fall, det bildas också värme. Effekten (P) som utvecklas kan lätt beräknas med formeln P=U·I eller P = R · I2 Effekten mäts i watt [W]. Tabell 10. Några elektriska storheter och enheter. Storhet
Enhet
Benämning
Beteckning
Benämning
Beteckning
Ström
I
ampere
A
Spänning
U
volt
V
Effekt
P
watt
W
Energi
W
joule
J
Frekvens
f
herz
Hz
Resistans
R
ohm
W
Induktans
L
henry
H
Kapacitans
C
farad
F
Magnetiskt flöde
F
weber
Wb
Magnetisk flödestäthet
B
tesla
Tabell 11. Vanliga prefix (förstavelser) för tiopotenser. n (nano)
10-9
k (kilo)
103
μ (mikro)
10-6
M (mega)
106
m (milli)
10-3
G (giga)
109
T
33
34
Allmänt om svetsmetoder
1.5.2 Elektriska kretsar Vid seriekoppling av två motstånd blir den gemensamma resistansen (R) lika med summan av de bägge motståndens resistans. Båda motstånden har här samma ström.
R = R1 + R2 Vid parallellkoppling blir uttrycket för den gemensamma resistansen något mer komplicerat. Bägge motstånden har här samma spänning.
1 1 1 __ = ___ + ___ R
R1
R2
eller
R1 · R2 R = _______ R1 + R2
Kirchhoffs lagar När man ska analysera en elektrisk koppling med flera komponenter för att utreda vilken ström eller spänning som förekommer i en enskild komponent är Kirchhoffs lagar ett bra hjälpmedel. Kirchhoffs strömlag: ”Summan av strömmarna till en punkt = 0”. Detta gäller under förutsättning att man tar hänsyn till strömmens riktning. Kanske är det enklare att uttrycka det så att lika mycket ström som går till punkten ska också gå från den.
ISBN 978-91-47-11291-3 © 2016 Klas Weman och Liber AB Redaktör: Peter Rajan Formgivning: Nette Lövgren Ombrytning: Klas Weman Sjätte utgåvan 1 Repro: Exakta Print, Malmö Tryck: People Printing, Kina, 2016
KOPIERINGSFÖRBUD Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och elevers begränsade rätt att kopiera för undervisningsbruk enligt BONUS-avtal, är förbjuden. BONUS-avtal tecknas mellan upphovsrätts organisationer och huvudman för utbildningsanordnare, t.ex. kommuner och universitet. Intrång i upphovsmannens rättigheter enligt upphovsrättslagen kan medföra straff (böter eller fängelse), skadestånd och beslag/förstöring av olovligt framställt material. Såväl analog som digital kopiering regleras i BONUS-avtalet. Läs mer på www.bonuscopyright.se.
Liber AB, 113 98 Stockholm Tfn 08-690 90 00 www.liber.se Kundservice tfn 08-690 93 30, fax 08 690 93 01 E-post kundservice.liber@liber.se
KARLEBO
S V E T SH A N D B O K är en överskådlig och grundläggande handbok som utförligt behandlar dagens samtliga svetsprocesser. Boken är anpassad till IIW och EWF:s riktlinjer för internationell svetsutbildning. Denna sjätte upplaga tar upp det senaste inom utvecklingen med flera kompletteringar och ändringar, bland annat har kapitlen om konstruktiv utformning och kvalitetssäkring kompletterats med kraven i nya standarder. Författaren Klas Weman har arbetat som adjungerad professor vid institutionen för svetsteknologi, KTH, och har lång erfarenhet av utveckling av bågsvetsutrustning, strömkällor och svetsprocesser vid ESAB i Laxå. Karlebo-serien består av kvalificerade tekniska handböcker som blivit ett begrepp inom svensk industri och utbildning. Böckerna produceras i samarbete med ledande svenska experter. I Karlebo-serien ingår bl.a. Karlebo handbok, Materiallära och Svetshandbok.
Best.nr 47-11291-3 Tryck.nr 47-11291-3