Svetsningsteknik

Hänvisning

Grunderna i svetsning

Svetsning är en sammanfogningsprocess där två eller flera delar sammanfogas vid sina kontaktytor genom applicering av värme och/eller tryck. Efter att de har sammanfogats kombineras de ytor som behöver sammanfogas, kallade sammanfogningsytor, och skapar en stark bindning. Metaller är de vanligaste materialen i denna procedur; dock kan även plaster användas. Ibland, för att underlätta sammanfogningen, tillsätts ett fyllnadsmedel. Svetsning är den term som används för att beskriva den slutliga monteringen av sammanlänkade element. Svetsning kan utföras med enbart värme, en kombination av värme och tryck, eller enbart tryck utan extern värme. Specifika svetstekniker kan användas för att smälta samman olika metaller; de används dock främst för att sammanfoga delar som är tillverkade av samma metall.

Typer av svetsprocesser

Svetsprocesser kan delas in i två huvudgrupper: fastfassvetsning och smältsvetsning.

Fusionssvetsning

Smältsvetsprocesser använder värme för att smälta basmetallerna, ofta med tillsatt tillsatsmetall för att förbättra smältan och förstärka svetsen. När ingen tillsatsmetall används kallas svetsen autogen. De mest populära svetsteknikerna faller inom kategorin smältsvetsning och grupperas ofta i följande kategorier:

Bågsvetsning (AW)

Bågsvetsning är en grupp svetstekniker där metallerna värms upp med hjälp av en elektrisk ljusbåge, som visas nedan. De flesta bågsvetsprocedurer använder ett tillsatsmaterial, och vissa applicerar också tryck medan processen pågår.

Hänvisning

En elektrisk båge uppstår när en elektrisk ström flyter över ett kretsgap, vilket gör att en gaspelare blir termiskt joniserad och upprätthåller bågen. Vid bågsvetsning (AW) kommer elektroden kortvarigt i kontakt med arbetsstycket innan den snabbt separerar för att generera bågen. Vilken metall som helst kan smältas av den extrema värme som produceras av denna båge, vilken kan nå temperaturer på upp till 5500 °C. Smältande basmetall och, om tillämpligt, tillsatsmaterial kombineras för att generera en pöl av smält metall nära elektrodspetsen. Vanligtvis tillsätts denna tillsatsmetall för att förbättra svetsförbindningens volym och styrka. Den smälta svetspolen bakom elektroden hårdnar när den rör sig längs fogen.

Svetsaren kan manuellt styra elektrodens position i förhållande till arbetsstycket, eller använda mekaniska tekniker som maskin-, robot- eller automatisk svetsning. Bågtiden, även känd som påslagningstid, är förhållandet mellan faktisk svetstid och totala antal timmar. Vid manuell bågsvetsning beror svetskvaliteten i hög grad på svetsarens förmåga och engagemang.

Bågtiden beräknas som (arbetstimmar) / (tid som bågen är på).

Både individuella svetsare och automatiserade arbetsstationer kan dra nytta av denna idé. Båglängden för manuell svetsning är vanligtvis cirka 20 % eftersom operationen kräver betydande hand-öga-koordination under krävande förhållanden, och vilointervaller är viktiga för att förhindra trötthet. Beroende på den specifika operationen kan dock bågtiden vid robot-, automat- och maskinsvetsning öka till cirka 50 %.

Motståndssvetsning (RW)

Motståndssvetsning, även känd som elektrisk motståndssvetsning (ERW), uppnår koalescens genom att applicera värme som genereras av elektriskt motstånd på strömflödet mellan de mötande ytorna på två komponenter som hålls samman under tryck. De primära komponenterna som är involverade i motståndssvetsning illustreras i figuren nedan, som visar en motståndspunktsvetsningsoperation, vilket är den vanligaste metoden i denna kategori.

Dessa komponenter består av arbetsstyckena som ska svetsas (vanligtvis plåtdelar), två motstående elektroder, en mekanism för att applicera tryck och pressa ihop delarna, och en växelströmskälla som ger en kontrollerad ström. Processen skapar ett smält område mellan de två delarna, känt som en svetsklump vid punktsvetsning. Till skillnad från bågsvetsning kräver motståndssvetsning inte skyddsgaser, flussmedel eller tillsatsmaterial; och elektroderna som levererar elektrisk kraft är icke-förbrukningsbara. Motståndssvetsning anses vara en typ av smältsvetsning eftersom den applicerade värmen vanligtvis smälter de mötande ytorna. Det finns dock undantag. Vissa motståndsvärmebaserade svetsoperationer använder temperaturer under smältpunkterna för basmetallerna, vilket förhindrar smältning.

Oxyfuelgassvetsning (OFW)

Oxyfuelgassvetsning (OFW) omfattar en mängd olika svetsoperationer som använder olika bränslen i kombination med syre för att utföra svetsuppgifter. Den viktigaste skillnaden mellan dessa processer är vilken typ av gas som används. OFW används också ofta i skärbrännare för att skära igenom och separera metallplattor och andra material. Den viktigaste processen inom denna grupp är oxyacetylensvetsning.

Oxyacetylen-svetsning (OAW) är en smältsvetsteknik som använder en högtemperaturflamma som produceras genom förbränning av acetylen och syre, styrd av en svetsbrännare. Ett tillsatsmaterial kan tillsättas, och ibland appliceras tryck mellan kontaktytorna under processen. När tillsatsmaterial används, kommer det vanligtvis i stångform, med diametrar från 1.6 till 9.5 mm (1/16 till 3/8 tum). Tillsatsmaterialets sammansättning måste noggrant matcha basmetallernas. Ofta beläggs tillsatsmaterialstången med flussmedel för att rengöra ytorna och förhindra oxidation, vilket resulterar i en starkare svetsfog. Acetylen (C2H2) är det mest föredragna bränslet i OFW-gruppen eftersom det kan uppnå de högsta temperaturerna, upp till 3480 °C (6300 °F).

Elektronstrålesvetsning (EB)

Elektronstrålesvetsning (EBW) är en smältsvetsmetod där värme genereras genom att rikta en mycket fokuserad, intensiv ström av elektroner mot arbetsytan. Utrustningen som används vid EBW liknar den som används vid elektronstrålebearbetning. Elektronstrålekanonen arbetar med höga spänningar, vanligtvis från 10 till 150 kV, för att accelerera elektronerna, medan strålströmmarna förblir låga, mätt i milliampere. Även om den totala effekten vid EBW kanske inte är extraordinärt hög, är effekttätheten exceptionellt betydande. Denna höga effekttäthet uppnås genom att fokusera elektronstrålen på ett mycket litet område av arbetsytan.

Hänvisning

Effekttätheten (PD) i EBW kan beräknas med formeln:

där PD representerar effekttätheten i W/mm² (omvandlas till Btu/sek-in² genom att dividera med 1055), f₁ är värmeöverföringsfaktorn (med typiska värden för EBW från 0.8 till 0.95), E är accelerationsspänningen i volt, I är strålströmmen i ampere och A är arbetsytan i mm². Typiska svetsareor för EBW varierar från 0.013 till 2.0 mm².

Laserstrålesvetsning

Vid lasersvetsning, även känd som laserstrålesvetsning (LBW), smälts materialen med hjälp av en koncentrerad laservärmekälla, vilket gör att de kan smälta samman när de svalnar. På grund av den koncentrerade värmen som produceras av lasern kan svetsning utföras med höga hastigheter – mätt i meter per minut – för tunna material och kan producera smala, djupa svetsar med fyrkantiga bitar i tjockare material.

Hänvisning

Förkortningen "laser" hänvisar till ljusförstärkning genom stimulerad strålningsemission. Laserstrålbearbetning är en annan tillämpning av denna teknik. För att undvika oxidation utförs LBW vanligtvis med skyddsgaser som koldioxid, argon, kväve och helium; tillsatsmaterial ingår vanligtvis inte. I likhet med elektronstrålesvetsning ger denna metod högkvalitativa svetsar med djup penetration och en smal värmepåverkad zon. Som ett resultat är jämförelser mellan LBW och EBW vanliga.

Jämfört med EBW har LBW några fördelar: den behöver ingen vakuumkammare, avger inga röntgenstrålar och dess laserstrålar kan koncentreras och riktas med hjälp av speglar och optiska linser. Men till skillnad från EBW kan LBW inte uppnå samma djup och höga djup-till-bredd-förhållanden. Medan EBW kan producera svetsdjup på upp till 50 mm (2 tum), kan lasersvetsning endast uppnå maximala svetsdjup på cirka 19 mm (0.75 tum). I LBW är djup-till-bredd-förhållandena normalt begränsade till cirka 5:1. LBW används ofta för sammanfogning av små komponenter på grund av den mycket koncentrerade energin i laserns smala strålområde.

Fastfassvetsning

Fastfassvetsning omfattar en rad sammanfogningstekniker där sammanfogningsytornas koalescens uppnås utan smältning, med hjälp av tryck med eller utan tillsatt värme. Typiska svetsprocedurer i denna kategori inkluderar följande:

Diffusionssvetsning (DFW)

Diffusionssvetsning (DFW) innebär att två ytor hålls samman under tryck vid hög temperatur, vilket gör att delarna kan sammansmälta genom diffusion i fast tillstånd.

Hänvisning

De använda temperaturerna är betydligt lägre än metallernas smältpunkter och når upp till cirka 0.5 T._m (smälttemperatur), med minimal plastisk deformation vid ytorna. Den primära bindningsmekanismen är fastfasdiffusion, där atomer migrerar över gränssnittet mellan de kontaktande ytorna. DFW används ofta inom flyg- och kärnkraftsindustrin för att sammanfoga höghållfasta och eldfasta metaller. Det är lämpligt för att sammanfoga både liknande och olika metaller, med ett fyllnadsmetalllager ofta placerat mellan olika basmetaller för att förbättra diffusionen. Diffusionsprocessen kan vara långdragen, ibland över en timme.

Friction Stir Welding (FSW)

Friktionssvetsning (FSW) är en fastfassvetsteknik där ett roterande verktyg rör sig längs foglinjen mellan två arbetsstycken, genererar värme genom friktion och mekaniskt rör om metallen för att skapa en svetsfog. Processen har fått sitt namn från den omrörnings- eller blandningsprocess som är inblandad. Till skillnad från konventionell friktionssvetsning (FRW), där delarna själva genererar friktionsvärmen, använder FSW ett separat slitstarkt verktyg för detta ändamål.

Verktyget som används i FSW har en cylindrisk axel och en mindre sond som sträcker sig under den. Under svetsning gnids axeln mot de två delarnas ovansida, vilket skapar det mesta av friktionsvärmen, medan sonden tillför ytterligare värme genom att blanda metallen längs foglinjen. Sondens design är optimerad för att förbättra denna blandningsverkan. Värmen som genereras från friktion och blandning mjukar upp metallen till ett mycket plastiskt tillstånd utan att smälta den. När verktyget rör sig längs fogen trycker den roterande sondens framkant den mjukade metallen runt sig och formar metallen till en svetsfog. Axeln hjälper till att hålla den mjukgjorda metallen runt sonden.

Hänvisning

FSW används ofta inom industrier som flyg-, fordons-, järnvägs- och varvsindustrin. Vanliga tillämpningar inkluderar stumfogar på stora aluminiumdelar. Denna process kan också användas med kompositer och polymerer, såväl som andra metaller som titan, stål och koppar. Fördelarna med FSW inkluderar liten deformation eller krympning, ett tilltalande svetsutseende, utmärkta mekaniska egenskaper hos svetsfogen och avlägsnande av skadliga ångor, skevhet och problem med skärmning som är vanliga vid bågsvetsning. Det finns dock vissa nackdelar med proceduren, nämligen behovet av stark fastspänning av delarna och skapandet av ett flykthål när verktyget tas bort.

Ultraljudssvetsning (USW)

Ultraljudssvetsning (USW) innebär att man applicerar ett måttligt tryck mellan de två komponenterna samtidigt som man använder en oscillerande rörelse vid ultraljudsfrekvenser i en riktning parallellt med de kontaktande ytorna. Denna oscillerande rörelsemetod, som ofta används vid överlappsvetsning, bryter ner ytbeläggningar för att möjliggöra nära kontakt och en robust metallurgisk länk mellan ytorna. Även om viss uppvärmning sker på grund av gränsytans friktion och plastisk deformation, håller sig temperaturerna mycket under smältpunkten, vilket eliminerar behovet av skyddsgaser, tillsatsmaterial eller flussmedel.

En ultraljudsgivare är kopplad till en sonotrod, som överför den oscillerande rörelsen till det övre arbetsstycket. Med en amplitud på mellan 0.018 och 0.13 mm (0.0007 till 0.005 tum) omvandlar denna givare elektrisk energi till högfrekvent vibrationsrörelse, vanligtvis inom intervallet 15 till 75 kHz. Det blir mindre plastisk deformation eftersom USW-klämtrycken är betydligt lägre än de som används vid kallsvetsning. Det tar vanligtvis mindre än en sekund att slutföra svetsprocessen.

Hänvisning

USW används huvudsakligen för överlappningsskarvar på mjuka material som aluminium och koppar. Svetsning av hårdare material kan snabbt slita ut sonotroden. Arbetsstyckena bör vara relativt små, med typiska svetstjocklekar på mindre än 3 mm (1/8 tum). Användningsområden inkluderar trådavslutningar och skarvning inom el- och elektronikindustrin, vilket eliminerar behovet av lödning, montering av aluminiumplåtpaneler, svetsning av rör till plåtar i solpaneler och olika monteringsuppgifter för små delar.

Automatisering inom svetsning

På grund av riskerna med manuell svetsning och önskan att förbättra produktiviteten och produktkvaliteten har olika former av mekanisering och automatisering uppstått. Dessa kategorier omfattar maskinsvetsning, automatsvetsning och robotsvetsning.

Maskinsvetsning är termen för mekaniserad svetsning med utrustning som arbetar under ständig övervakning av en arbetare. Vanligtvis flyttas ett stationärt arbetsstycke i förhållande till ett svetshuvud som flyttas mekaniskt, eller så flyttas arbetsstycket i förhållande till ett stationärt svetshuvud. För att övervaka operationen måste en mänsklig arbetare ständigt övervaka och kommunicera med maskineriet.

När maskineriet kan slutföra uppgiften utan behov av mänsklig inblandning kallas det automatsvetsning. Vanligtvis är en mänsklig arbetare närvarande för att övervaka proceduren och identifiera avvikelser från standardrutiner. Användningen av en svetscykelstyrenhet för att styra bågrörelsen och arbetsstyckets placering utan konstant mänsklig övervakning skiljer automatsvetsning från maskinsvetsning. Vid automatsvetsning måste arbetsstycket positioneras i förhållande till svetshuvudet med hjälp av en svetsfixtur och/eller positionerare. Dessutom kräver det mer noggrannhet och enhetlighet i de komponentelement som ingår i svetsningen. På grund av dessa faktorer är automatsvetsning endast genomförbar vid storskalig produktion.

En industrirobot eller programmerad manipulator används vid robotsvetsning för att autonomt styra svetshuvudets rörelse i förhållande till jobbet. På grund av robotens anpassningsbara räckvidd och förmåga att omprogrammeras för olika delkonfigurationer kan denna automatiseringsmetod motiveras för jämförelsevis små produktionsantal, även med relativt enkla fixturer. Två svetsfixturer och en mänsklig montör som laddar och lossar föremål medan roboten svetsar utgör en vanlig robotbågsvetscell. Företag som tillverkar slutmontering av bilar använder industrirobotar inte bara för bågsvetsning utan även för motståndssvetsning av bilkarosser.

Svetsfogen

Det finns fem grundläggande typer av fogar som används för att sammanfoga två delar. Dessa fogar är tillämpliga inte bara för svetsning utan även för andra sammanfognings- och fästmetoder. De fem fogarnas typer definieras enligt följande:

Stumfog: I denna typ av fog är delarna justerade i samma plan och sammanfogade vid sina kanter.

Hörnfog: Delarna bildar en rät vinkel och sammanfogas i hörnet.

Överlappsfog: Denna fog innefattar två delar som överlappar varandra.

T-koppling: En del är placerad vinkelrätt mot den andra och liknar formen av bokstaven "T".

Kantfog: Delarna är parallella med minst en gemensam kant, och fogningen görs längs denna kant.

Typer av svetsar

Var och en av de ovannämnda fogarna kan formas genom svetsning. Det är viktigt att skilja mellan fogtypen och den metod som används för att svetsa den – kallad svetstyp. Variationerna mellan svetstyperna ligger i deras geometri (fogtyp) och den svetsprocessen som används.

Kälsvets

Som framgår nedan används kälsvets för att fylla i kanterna på plattor som bildas av T-, överlappnings- och hörnfogar. För att skapa ett tvärsnitt som ungefär liknar en rätvinklig triangel används tillsatsmaterial. Eftersom det bara behöver utnyttja delarnas grundläggande rätvinkliga kanter för kantförberedelse är det den mest populära typen av svets vid bågsvetsning och autogenbränslesvetsning. Kälsvetsar kan vara enkla, dubbla, kontinuerliga eller intermittenta – det vill säga svetsas kontinuerligt längs hela fogens längd eller med osvetsade mellanrum emellan.

Spårsvetsar

Spårsvetsar kräver vanligtvis att delarnas kanter formas till ett spår för att förbättra svetsgenomträngningen. Dessa spår kan vara fyrkantiga, avfasade, V-, U- eller J-formade, och de kan appliceras på en eller båda sidorna, som visas nedan. Tillsatsmaterial, vanligtvis applicerat genom bågsvetsning eller autogensvetsning, fyller fogen. Även om denna kantförberedelse kräver mer bearbetning utöver den grundläggande fyrkantiga kanten, görs det ofta för att förstärka den svetsade fogen eller vid svetsning av tjockare delar. Även om spårsvetsar oftast förknippas med stumfogar, används de i alla fogtyper utom överlappningsfogar.

Pluggsvetsar och spårsvetsar

Pluggsvetsar och spårsvetsar används för att sammanfoga plana plattor. Denna process innebär att man skapar ett eller flera hål eller springor i den övre plattan, vilka sedan fylls med tillsatsmaterial för att smälta samman de två delarna.

Punktsvetsar och sömsvetsar används ofta för överlappningsfogar. En punktsvets innebär ett litet, smält område mellan ytorna på två ark eller plattor, där flera punktsvetsar ofta är nödvändiga för att sammanfoga delarna effektivt. Denna teknik förknippas oftast med motståndssvetsning. En sömsvets liknar en punktsvets men består av en kontinuerlig eller nästan kontinuerlig smält sektion mellan de två arken eller plattorna.

Flänssvetsar

Flänssvetsar och ytbeläggningssvetsar visas nedan. En flänssvets skapas på kanterna av två eller flera delar, vanligtvis plåt eller tunnplåt. Å andra sidan är en ytbeläggning inte avsedd för att sammanfoga delar utan för att avsätta tillsatsmaterial på ytan av en basdel med hjälp av en eller flera svetssträngar. Dessa svetssträngar kan appliceras i en serie överlappande parallella svetspassager, som täcker stora områden av basdelen för att öka dess tjocklek eller ge en skyddande ytbeläggning.

Svetsningens fysik

Högdensitetsvärmeenergi ges till de ytor som behöver smälta, vilket resulterar i lokal smältning av basmetallerna för att åstadkomma smältning. Värmen måste också vara tillräckligt hög för att smälta eventuell tillsatsmetall som används. Effektdensiteten (W/mm² eller Btu/sek-in²) är den måttenhet som används för att beskriva värmedensitet. Den är omvänt proportionell till effektdensiteten vid bestämning av smälttiden. Låga effektdensiteter gör att smältningen sker långsammare eftersom värme försvinner så snart den tillsätts, vilket undviker smältning. De flesta metaller kan smältas under svetsning med en minsta effektdensitet på ungefär 10 W/mm² (6 Btu/sek-in²). Smälttiden minskar när värmedensiteten ökar. Metallen förångas dock på grund av höga temperaturer om effektdensiteten överstiger cirka 10⁵ W/mm³ (60 000 Btu/sek-in³). För att svetsningen ska vara effektiv måste effektdensiteten hållas inom ett visst intervall. Svetshastighet och storlek på svetsbart område påverkas av variationer i svetsmetoder.

Även om syrgassvetsning producerar mycket värme har den låg densitet eftersom den täcker ett stort område. Oxyacetylen, det hetaste OFW-bränslet, brinner vid cirka 3500 °C (6300 °F). Däremot uppnår bågsvetsning lokala temperaturer mellan 10 000 °F och 12 000 °F (eller 5500 °C till 6600 °C) samtidigt som den levererar enorm energi över ett mindre område. Höga effekttätheter är ofta mer önskvärda eftersom det är att föredra ur metallurgisk synvinkel att smälta metall med så lite energi som möjligt.

Effekttätheten beräknas som den effekt som kommer in i ytan dividerad med ytarean:

PD = P/A

där PD är effekttätheten (W/mm² eller Btu/sek-in²), P är effekten som kommer in i ytan (W eller Btu/sek), och A är ytan över vilken energin appliceras (mm² eller in²). Denna beräkning kompliceras av faktorer som rörelsen hos strömkällan (t.ex. svetsbågen), som förvärmer området framför och eftervärmer området bakom. Dessutom är effekttätheten inte enhetlig över den berörda ytan, utan varierar med arean.

Referensprojekt

Groover, MP, 2010. Grunderna i modern tillverkning: Material, processer och system. 4:e uppl. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.