Efteruddannelse i Materialeteknologi Kursus R 5 Sammenføjning Rustfrit stål, nikkel og titan Kursusmateriale udviklet under lov 271 om efteruddannelse i et samarbejde melle m Danmarks Ingeniørakademi, Dansk Teknologisk Institut, FORCE Institutterne og Forskningscenter Ris ø 1995
Sammenføjnin g Rustfrit stål, nikkel og tita n 1. udgave, 1. oplag 199 5 Undervisningsministeriet Lov 27 1 Grafisk design : Grethe Jensen og Inger Vedel, DTI Grafi k Sats : Lollands-Postens Bogtrykkeri, Marib o Tryk: Omslag : Reproset, København Indhold : DTI Tryk, Taastru p Dansk Teknologisk Institu t DTI Forla g ISBN 87-7756-318-2 Kopiering i uddrag er tilladt med kildeangivelse
Sammenføjnin g Rustfrit stål, nikkel og titan Forord 11 Forord til A5 1 3 Referencer 1 5 1 Indledning 21 1.1 Faste Sammenføjninger 21 1.1.1. Svejsning 22 1.1.2. Lodning 22 1.1.3. Limning 23 2 Elektriske grundbegreber 25 2.1 Elektrisk effekt 25 2.2 Elektricitet 26 2.3 Elektrisk modstand 27 2.4 Strømarter til lysbuesvejsning 29 2.4.1 Vekselstrøm 29 2.4.2 Jævnstrøm 30 2.4.3 Svejsestrøm og lysbue 30 3 Beskyttelsesgasser 33 3.1 Beskyttelsesgassernes funktioner 33 3.2 Beskyttelsesgassers specifikke egenskaber 34 3.2.1 Almindeligt anvendte gasser 35 3.2.2 Argon 35 3.2.3 Helium 36 3.2.4 Hydrogen 37 3.2.5 Kuldioxid 38 3.2.6 Nitrogen 39 3.2.7 Blandgasser 39 3.3 Baggasser 40 3.3.1 Formiergas 41 3.3.2 Nitrogen-baggas 41 3.3.3 Argon/ hydrogen-baggas 42
4 Varmepåvirkning af det svejste materiale 4 3 4.2 Struktur og egenskaber i svejsemetal og HAZ 4 7 4.2.1 Martensitisk rustfri stål 4 7 4.2.2 Ferritiske rustfrie stål 4 7 4.2.3 Austenitiske rustfrie stål 4 8 4.2.4 Duplex rustfrit stål 5 0 4.2.5 Nikkel og nikkellegeringer 5 1 4.2.6 Titan og titanlegeringer 5 2 4.3 Tilsatsmaterialevalg og fugegeometri 5 3 4.3.1 Martensitiske rustfrie stål 5 3 4.3.2 Ferritiske rustfrie stål 5 3 4.3.3 Austenitiske rustfrie stål 5 4 4.3.4 Duplex rustfrit stål 5 8 4.3.5 Nikkel og nikkellegeringer 6 0 4.3.6 Titan og titanlegeringer 6 0 4.4 Retningslinier for valg af svejsedata og for udførelse 6 1 4.4.1 Martensitisk rustfrit stål 6 1 4.4.2 Ferritiske rustfrie stål 6 2 4.4.3 Austenitiske rustfrie stål 6 2 4.4.4 Duplex rustfrit stål 6 4 4.4.5 Nikkel og nikkellegeringer 6 5 4.4.6 Titan og titanlegeringer 6 6 4.5 Varmebehandling efter svejsning 6 7 4.5.1 Martensitiske rustfrie stål 6 7 4.5.2 Ferritiske rustfrie stål 6 8 4.5.3 Austenitiske rustfrie stål 6 8 4.5.4 Duplex rustfrit stål 6 9 4.5.5 Nikkel og nikkellegeringer 6 9 4.5.6 Titan og titanlegeringer 70 4.6 Specielle metallurgiske skader ved svejsning 72 4.6.1 Metalindtrængning, LME 72 5 Nedsættelse af korrosionsbestandigheden ved overfladefejl 83 5.1.1 Jernafsmitning 84 5.1.2 Glødeskal og slagger på svejsesømme 84 5.1.3 Anløbning 85 5.1.4 Utilstrækkelig overfladefinish 85
5.2 Efterbehandling af svejsesøm 86 5.2.1 Mekanisk efterbehandling 86 5.2.2 Kemisk efterbehandling 8 7 6 Svejseudrustning 9 1 6.1 Indledning 9 1 6.2 Udstyr der anvendes til person- og miljøbeskyttelse 92 6.2.1 Personlige værnemidler 9 2 6.2.2 Miljøværn 94 6.3 Udstyr der anvendes ved forberedelse til svejsning 9 8 6.3.1 Positioneringsudstyr 99 6.3.2 Clamps 104 6.4 Udstyr der anvendes til udførelse af svejsning 10 6 6.4.1 Udstyr til lysbuesvejsning med beklædte elektroder 10 7 6.4.2 Udstyr til pulversvejsning 11 0 6.4.3 Udstyr til MIG/MAG-svejsning 11 1 6.4.4 Udstyr til TIG-svejsning 113 6.4.5 Udstyr til plasmasvejsning 115 6.4.6 Udstyr til lasersvejsning 11 7 6.4.7 Udstyr til elektronstrålesvejsning 119 7 Svejseprocedurer 12 1 7.1 Forord 12 1 7.2 Standarder og svejseprocedurer 122 8 Certificering af svejsere 12 7 8.1 Forord 12 7 8.2 EN 287, del 1 og 2 : 1992 12 8 8.3 Svejsestandarder og konstruktionsnormer 13 1 8.4 Kvalitetsstyring - svejseprøve og certificering 132 8.5 Forberedelse til certificering 133 8.6 Forkortelser i EN 287 - del 1 og 2 135 8.6.1 Svejseprocesser 13 6 8.6.2 Fugetyper 136 8.6.3 Prøveemner 136 8.6.4 Dimensioner 136 8.6.5 Materialetyper 137
8.6.6 Beklædte elektroder: Typer 13 7 8.6.7 Prøvesvejsningens udførelse 13 8 8.6.8 Svejsestillinger 13 8 8.7 Udførelse af svejseprøve 13 8 8.8 WPS og pwps 14 0 8.9 Svejsecertifikaters gyldighedsområder 140 8.10 Svejsecertifikaters gyldighedsperiode 14 1 8.10.1 Forlængelse af certifikaters gyldighedsperiode 14 1 9 Lysbuesvejsning med beklædte elektroder 14 3 9.1 Historie 14 3 9.2 Beklædte svejseelektroder 14 5 9.2.1 Elektrodetyper 14 5 9.2.2 Elektrodebeklædning 146 9.2.3 Kernetråden 14 8 9.2.4 Materialetransport gennem lysbuen 14 9 9.2.5 Indmeltningsforhold 15 1 9.3 Svejsning af rustfrit stål 15 1 9.3.1 Generelt 15 1 9.4 Rustfrie ståls svejsbarhed 15 3 9.5. Svejsning af nikkel 15 3 9.5.1 Generelt 15 3 10 MIG/MAG-svejsning 15 7 10.1 Historie 15 7 10.2 Funktionsprincip 15 9 10.2.1 Generelt 15 9 10.2.2 Strømkilder- og karakteristiker ved MIG/MAG-svejsning 16 0 10.2.3 Svejsemaskiner til MIG/MAG-svejsning 16 3 10.2.4 Principer for materialeovergange ve d MIG/MAG-svejsning 16 5 10.2.5 Synergisk pulssvejsning 16 7 10.3 Forprogrammering af MIGIMAG-svejsedata 16 8 10.3.1 Generelt 16 8 10.3.2 Programmering, gennemførelse og kontrol med svejsedata 169
10.4 MIG/MAG-svejsning af rustfrit stål 170 1 0.4.1 Generelt 1 70 10.4.2 Praktisk anvendelse af MIG/MAG-processen ti l svejsning af rustfrit stål 17 1 10.4.3 Tilsatsmaterialer og beskyttelsesgasser til svejsning a f rustfrit stål med MIG/MAG-processen 172 10.5 MIG-svejsning af nikkel 1 7 3 10.6 MIG-svejsning af titan 1 73 11. TIG-svejsning 175 11.1 Historie 1 75 11.2 Funktionsprincip 176 11.2.1 TIG-svejsepistol 1 77 11.2.2 TIG-lysbuen 1 78 11.3 TIG-svejsning med pulserende lysbue 180 11.4 TIG-svejseprocessens udnyttelse 18 1 11.5 TIG-svejsning af rustfrit stål 1 8 2 11.5.1 Generelt 1 8 2 11.5.2 Proceshåndtering ved TIG-svejsning af rustfrit stål 18 4 11.5.3 Udnyttelse af pulsprincipet ved TIG-svejsning af rustfrit stål 1 85 11.5.4 Gasbeskyttelse ved TIG-svejsning af rustfrit stål 187 11.5.4 Automatiseret TIG-svejsning af rustfrit stål 189 11.5.5 Orbital TIG-svejsning af rustfrit stål 19 1 11.6 TIG-svejsning af nikkel 19 3 11.7 TIG-svejsning af titan 1 9 3 12. Plasmasvejsning 19 5 12.1. Historie 195 12.2. Funktionsprincip 195 12.2.1. Plasmadysen 1 95 12.2.2. Plasmalysbuen 197 12.2.3. Pilotlysbuen 1 99 12.2.4. Lysbuekarakteristik 199
12.3. Plasmasvejseprocessens udnyttelse 20 0 12.3.1. Karakteristiske træk ved plasmametoden 20 1 12.4. Plasmasvejsning af rustfrit stål 202 12.4.1. Plasma-keyhole svejsning af rustfrit stål 203 13 Lasersvejsning 209 13.1 Historie 209 13.2 Funktionsprincip 21 0 13.2.1 Lysdannelse 21 0 13.2.2 Lysforstærkning 211 13.3 Opbygningsprincip 21 2 13.4 Laserstrålen 21 4 13.5 Lasertyper 21 6 13.5.1 COz lasere 21 7 13.5.2 Nd-YAG- lasere 21 8 13.6 Anvendelsesområder 220 13.6.1 Generelt 220 13.6.2 Svejsning 221 13.7 Rustfrit stål 222 13.8 Lasersvejsning af rustfrit stål 22 3 13.9 Lasersvejsning af nikkellegeringer 22 5 13.10 Lasersvejsning af titan 22 7 14 Elektronstrålesvejsning 229 14.1 Indledning 229 14.2 Svejseudstyr 23 1 14.2.1 Funktionsprincip 232 14.3 Svejsning 23 4 14.3.1 Materialer, egnet til sammenføjning med elektronstrålesvejsning 23 6 14.3.2 Fugeforberedelse ved EB-svejsning 23 7 14.3.3 Sammenfatning af svejseparametrenes indvirkning p å indtrængning og bredde af svejsning ved EB-svejsning 24 0 14.3.4 Generelle forhold ved planlægning af EB-svejsning 240
15 Pulversvejsning 24 3 15.1 Historie 243 15.2 Princip og anvendelse 244 15.2.1 Svejseparametrenes indflydelse 24 7 15.3 Tilsatsmaterialer 250 15.4 Anvendelse og økonomi 254 15.5 Pulversvejsning af rustfrit stål 255 16 Lodning 25 9 16.1 Historie 25 9 16.2 Definitioner 26 0 16.3 Proceshåndtering 26 3 16.3.1 Beskyttelse imod oxidering 26 3 16.3.2 Tilførsel af lod 26 4 16.4 Loddemetoder 26 5 16.4.1 Kolbelodning 26 7 16.4.2 Flammelodning 26 7 16.4.3 Ovnlodning 26 8 16.4.4 Induktionslodning 269 16.4.5 Modstandslodning 27 1 16.4.6 Lodning i loddebad 272 16.5 Loddetilsatsmaterialer 273 16.5.1 Loddenes egenskaber 273 16.5.2 Loddenes egnethed 276 16.5.3 Sølvlod 278 16.5.4 Kobberlod 279 16.5.5 Messinglod 280 16.6 Oxidationsbeskyttelse med flus 280 17 Limning 28 3 17.1 Indledning 28 3 17.2 Procesbeskrivelse 28 3 17.3 Anvendelse af limprocessen 28 5 17.3.1 Udformning af limsamlinger 28 7 17.3.2 Klargøring af limfuger 289
17.4 Limtyper 290 17.4.1 Termoplastiske limtyper 29 1 17.4.2 Termohærdene lim 292 1 7.4.3 Elastomere lim 293 17.5 Kvalitetsstyring af limprocessen 29 4 Stikord 29 7
Forord Denne lærebog indgår i et omfattende, modulopbygget system af efteruddannelseskurser,»efteruddannelse i Materialeteknologi«, som har til formål at ruste dansk erhvervsliv til at arbejde optimalt med såvel nye som kendte materialetyper. Systemet dækker således alle materialetyper fra støbejern, stål, rustfrit stål, aluminium og diverse metallegeringer ove r plast, fiberforstærket plast og sandwichmaterialer til keramiske og pulvermetallurgiske materialer. For hver materiale - type vil der være kurser i relevante emner som grundlæggende materialekendskab, materialevalg, forarbejdning og konstruktion, nedbrydningsformer og tilstandskontrol. Tanken med det modulopbyggede efteruddannelsessyste m er, at virksomheder - eller enkeltpersoner - har mulighe d for at sammensætte et kursusforløb, som er tilpasset det aktuelle behov, hvad enten det drejer sig om at gå i dybde n med et materialeområde, eller man ønsker at udvide sin e kvalifikationer til flere materialetyper fx inden for et emn e som forarbejdningsprocesser. Det er naturligvis vores håb, at denne lærebog enten i forbindelse med det pågældende kursus - eller ved selvstudium - vil være et godt bidrag til en så - dan opgradering af kvalifikationerne hos den enkelte. For at bogen kan tjene både som kursusmateriale, opslags - bog og kilde til supplerende viden, er den forsynet med mange figurer, der underbygger teksten, samt margentekste r og indeks, der letter opslag. I forbindelse med kurser vil bogen blive ledsaget af en arbejdsmappe indeholdende supple - rende materialer, øvelsesvejledninger og opgaver. Kurserne er udviklet i et konsortium bestående af Danmark s Ingeniørakademi (maskinafdelingen), Dansk Teknologis k Institut, FORCE Institutterne og Forskningscenter RISØ sam t en række danske virksomheder. En række medarbejdere i virksomhederne har bidraget til udviklingsarbejdet i form af klarlægning af behov og løbende vurdering af materialet ve d deltagelse i følgegrupper. Udviklingsarbejdet er foretaget 11
med støtte fra Undervi aningsministeriet (Lov 271 Lov o m Efteruddannelse), og 1-,!runder har Indsatsgruppen for Materialeteknologi samt dt. :ilknyttede referees ligeledes ydet e n god indsats med hent 1k på afstemning mellem erhvervsli - vets behov og materialets indhold. Taastrup, oktober 1994 På konsortiets vegne Lorens P. Sibbese n (projektadministrator) 12
Forord til R 5 Lærebogen danner grundlag for undervisningen på undervisningsmodulet R5: Sammenføjning af rustfri stål, nikkel og tita n Sammen med en arbejdsmappe beregnet til egne notater o g opsamling af supplerende udleveret kursusmateriale, inde - holdende notatpapir og skemaer for undervisningstilrettelæggelsen, udgør bogen det materiale der anvendes på kursusmodulet. Kursets formål er, at give en grundig indføring i sammenføjningsprocessernes funktionsprinciper, anvendelsesmuligheder, samt de styrke-, materialemæssige og økonomisk e faktorer der knytter sig til anvendelsen af den enkelte proces. Endvidere er det formålet, at give en grundig indføring i de n fagterminologi der knytter sig til processerne, samt vigtig e dele af de anvisninger og standardmæssige forskrifter, der er en integreret del af kvalitetsstyringen i forbindelse med anvendelsen af processerne. Ved udarbejdelsen af materialet har følgende forfattere medvirket : Kapitlet om beskyttelsesgasser - Palle Aastrup FORCE Institutterne. Kapitlerne om varmebehandling og svejsning - J. Vagn Han - sen FORCE Institutterne Materialets øvrige kapitler - Arnold Djuraas FORCE Institutterne. Brøndby, juli 199 4 Asmus Diederichsen Civilingeniør Arnold Djuraas Svejsetekniker/uddannelseskonsulent 13
Referencer Under udarbejdelsen af lærebogsmaterialet til modul A5 - sammenføjning af aluminium, R5- sammenføjning af rustfri t stål, nikkel og titan, og S5- sammenføjning af stål, højstyrke - stål og støbejern, er der anvendt billedmateriale og tekstforklaringer, velvilligt udlånt til forfatterne, af: Svejsemaskinfabrikken MIGATRONIC A/S, Fjerritslev. ESAB A/S, Trekronergade København. HN AUTOMATIC A/S, Hjulmagervej Vejle. Som grundlag for lærebogens øvrige beskrivelser, herunde r tekst, figurer og tabeller, er der anvendt materiale fra fagtids - skrifter, tekniske publikationer lærebøger m.m., samt forfatternes egne notater eller optegnelser fra foredragsvirksomhed, artikler m.m. Følgende materialer har dannet grundlag for udarbejdelse n af bogen : Das Verhalten der Stähle beim Schweißen Teil I : Grundlagen, Deutscher Verlag für Schweißtechni k Der Schutzgas Schweisser Teil I : Wig-Schweißen/Plasmaschweißen, Deutscher Verlag für Schweißtechni k Der Schutzgas Schweisser Teil II : MIG/MAG-Schweißen, Deutscher Verlag für Schweißtechni k Handbuch des Unterpulverschweißsens, Teil I/II, Deutscher Verlag für Schweißtechni k Handbuch der Schweißverfahren Teil I : Lichtbogenschweißverfahre n Deutscher Verlag für Schweißtechni k Der Schweißlichtbogen, ein technologisches werkzeug, Deutscher Verlag für Schweißtechni k Mogens Bertung : Manipulationsmuligheder me d MIG/MAG-processen, FORCE Institutterne publikation nr. : 81.32 15
ESAB Welding handbook : Filler materials for manual and automatic welding, ESAB AB Göteborg Sweden MNC handbok nr. : 15 : Svetsning av stål, SIS Stockhol m Elektronstrålesvetsning-metodik och användingsområden, IVF, Sveriges mekanforbund Stockholm Arnold Djuraas : Håndbog for svejsere - beskrivelser af svejsemetallurgiske forhold, FORCE Institutterne - publikation nr.: 90.1 6 Håndbok, høyfast stål i bærende kostruksjoner, VERITEC, Høvik, NTNF, Norge Erik Kongshavn : Brugervejledning til EN-standard 288-3, FORCE Institutterne - publikation nr.: 92.22 Submerged-Arc Welding, The Welding Institute Abington Hall, Cambridge CBI 6A L David Belforte - Morris Levitt : The Industrial Laser Annual Handbook, Penn Well Books, Laser Focus, Tulsa Oklahoma US A Arnold Djuraas: TIG-svejsning af kobberror under montage, FORCE Institutterne - publikation nr. : 92.1 1 Welding Guide, Böhler Welding Technology, VEW, Welding Technology Departmen t Wissenswertes für den Schweißer, Böhler Schweisstechnik Stig Jönsson: TIG-svetsning, ITK Läromedel, Sweden Steen Erik Nielsen: Svejsning med højeffektlaser indenfor skibsbygningsindustrien, FORCE Institutterne - publikation nr. : 92.1 0 Steen Erik Nielsen : Lasersvejsning - en introduktion, FORCE Institutterne - publikation nr. : 91.5 7 P. Ettrup Petersen : Svejsning, Teknisk forlag, Københav n Elektrisk sveising, NKS-forlaget, Norge 16
Christopher Dawes, CEng : Laser welding - A practical guide, Abington Publishing, England Training in submerged arc welding, Hobart School of Welding Technology, Troy, Ohio 45373 US A Arnold Djuraas og Johannes Søberg : Rørsvejsning med basiske elektroder, FORCE Institutterne - publikation nr. : 89.1 1 Knud Rasmussen, HN-automatic : Besk. gassen som værkt. ved MIG/MAG- og TIG-svejsn. Artikel, Svejsning, DSL-udg., juni 1992 Handbuch - Schweißzusatzwerkstoffe, Messer Griesheim GmbH, Informationsabteilung, Frankfur t am Main, Deutschlan d Günter Aichele : Schutsgasschweissen, Verfahren, Anwedung, Wirtschaftlichkeit, Messer Griesheim GmbH, Informationsabteilung, Frankfur t am Main, Deutschland Erik Rasmussen, Palle Aastrup, Bent Clemmenses, Jen s Klæstrup Kristensen og Karl Nielsen : Welding of Structura l High Strength Steels, FORCE Institutterne - publikation nr. : 91.30 Thomas Aaboe Jensen : Cladding of Hastelloy C on mil d steel, using a Nd-Yag-laser, FORCE Institutterne - publikation nr. : 89.60 Steen Erik Nielsen : State of Art High Power Laser, for Materials Processing, FORCE Institutterne - publikation nr. : 89.5 6 Steen Ussing: Svejsning af rustfrit stål med pulverfyldt rør - tråd og puls-mig, FORCE Institutterne - publikation nr. : 89.3 7 Lars Ravnholt Jensen : Plasma-keyhole svejsning af I-sømme i rustfrit stål, FORCE Institutterne - publikation nr. : 89.3 5 Palle Aastrup : Arbejdsområder for MIG-svejsning af kantsømme i aluminium, FORCE Institutterne - publikation nr. : 93.2 0 Birger Hansen : Europæiske standarder for svejsning og prøvning, 1992/93, FORCE Institutterne - publikation nr. : 93.01 17
Thomas Aaboe Jensen: Tyndplade lasersvejsning, materialemæssige forhold, FORCE Institutterne publikation nr.: 92.8 5 Birger Hansen: Anvendelse af de europæiske standarder fo r svejsning, Del 1, Principer for anvendelsen, FORCE Institutterne publikation nr.: 92.43 Birger Hansen : Henvisninger i EN 287 og EN 288, FORCE Institutterne publikation nr. : 92.44 Birger Hansen : Anvendelse af de europæiske standarder for svejsning, Del 1 : Fortegnelser over standarder, FORCE Institutterne publikation nr.: 92.4 5 Palle Aastrup : Automatisering af lysbuesvejsning, FORCE Institutterne publikation nr.: 92.3 1 Egon Frank Hansen : Brugervejledning og uautoriseret oversættelse af EN-standard EN 287 del-1, certificering af svejsere smeltesvejsning af stål, og EN 287 del-2, certificering af svejsere smeltesvejsning af aluminium, FORCE Institutterne publikation nr.: 91.56 Palle Aastrup : TIG- og plasmasvejsning, FORCE Institutterne publikation nr.: 88.34 Erik Ejersted : Svejseteknologi svejseprocesser m.m., FORCE Institutterne publikation nr.: 87.60 Kaj Wøldike Sørensen: Svejsning af duplex rustfrie stål, FORCE Institutterne publikation nr.: 87.1 9 Erik Petersen og Erik Ejersted : Svejsning af lavtlegerede varmebestandige rør, FORCE Institutterne publikation nr.: 87.1 3 Birger Hansen : Specifikation af svejsearbejder, FORCE Institutterne publikation nr.: 87.1 2 Jens Roedsted Christensen, Asmus Diederichsen, Paul Eriksen, Erik Beck Hansen, Jørgen Skotte og Erik Østgaard : Synergisk puls-mig-svejsning, FORCE Institutterne publikation nr.: 85.28 Arnold Djuraas : Brugen af celluloseelektrode-tilsatsmateriale. Typiske svejsefejl, årsagen til disse samt fejlforebyggelse, FORCE Institutterne publikation nr.: 86.1 2 Erik Ejersted : Svejseteknologi kvalitet og økonomi, FORCE Institutterne publikation nr.: 83.44 18
Jens Klæstrup Kristensen : Elektronstrålesvejsning i dag - gennemgang af ford. og egensk., FORCE Institutterne - publikation nr.: 83.22 Jan Thernøe : Store fremskridtsperspektiver i limning, FORCE Institutterne - publikation nr.: 83.2 1 Carsten Lykke Sørensen : Limning af metaller, Tekn.publikation nr. : TR87-4050178 Stig Jönsson: MIG /MAG-svetsning grundbok, Liber Läromedel, Stockholm Sweden 19
Indledning 1 Sammenføjning af materialer er, og har altid været, et betydningsfuldt produktionsled i næsten alle former for industri. Almindeligvis kan der skelnes mellem to sammenføjningskategorier : Løsbare sammenføjninger Faste sammenføjninger. Til første kategori hører alle former for samlinger/sammenføjninger, der umiddelbart kan adskilles uden brug af destruktive værktøjer. Til den næste kategori hører alle de former for samlinger/ sammenføjninger, der udelukkende lader sig adskille me d hjælp af destruktive værktøjer af en eller anden art. Faste sammenføjninge r De faste sammenføjningsmetoder er beskrevet med tre kategorier ; svejsning, lodning og limning hvor metoderne, hver for sig, er medtaget på baggrund af egnethedsvurdering ti l sammenføjning af de respektive materialer. 1. 1 De følgende kapitler vil omtale de hyppigst anvendte metoder til fast sammenføjning af konstruktionsdele af rustfrit stål, nikkel og titan og de sammenføjningsmetoder der vi l blive gennemgået i denne lærebog er : Lysbuesvejsning med beklædte elektroder Gassvejsning MIG/MAG-svejsning TIG-svejsnin g Plasmasvejsnin g Lasersvejsnin g Elektronstrålesvejsnin g Pulversvejsning Lodnin g Limning 21
Der findes naturligvis flere mere eller mindre almindelige svejseprocesser som eks. MBL- og friktionssvejsning, etc. Da de nævnte processer i reglen anvendes under helt specielle produktionsforhol, vil de ikke blive nærmere omtalt i denn e lærebog og procesbeskrivelser af disse, må derfor hentes i speciallitteraturen. De 8 første, faste sammenføjningsmetoder, benævnes unde r fælleskategorien svejsning, mens de 2 sidstnævnte tilhører hver sin kategori, lodning og limning. Alle tre kategorier har indbyrdes forskellige egenskaber, med hensyn til styrke og modstandsdygtighed overfor såvel mekaniske, tryk, temperatur og mediemæssige påvirkninger. Svejsning og limning Sammenføjningsmetoder, omtalt under betegnelserne : svejs - ning, lodning og limning, kan kort beskrives som i efterfølgende indledende kapitler : Svejsning Svejsning anvendes til sammenføjning af materialer, eller på - lægning af materialer, under indvirken af varme eller kraft, eller begge dele samtidigt. I den såkaldte bindingszone smeltes materialet og- eller plastisk deformeres. Svejsning kan opdeles i : Smeltesvejsning Tryksvejsning Ved smeltesvejsning forbindes emnerne ved anvendelse a f varme uden at tilføre kraft og ved tryksvejsning anvendes der kraft eller både varme og kraft. 1.1.2 Lodning Lodning er en metode til fast sammenføjning af metaller, med anvendelse af et opsmeltet tilsatsmateriale. Processen kan kort beskrives således : Til loddeprocessen benyttes et tilsatsmateriale med et laver e smeltepunkt end det materiale man ønsker at sammenføje, hvilket vil sige at lodning sker uden opsmeltning eller plastisk deformation af grundmaterialet. Ved opvarmning af grundmaterialet, til en temperatur der 22
ligger lige over tilsatsmaterialets smeltetemperatur, arbejdstemperatur, bringes dette derved til vædning, hvilket vil sig e at det flyder ud og danner metallisk binding mellem de emner man ønsker at sammenføje. Den metalliske binding sker ved diffusion og adhæsion mellem grundmateriale og lod, hvorved der dannes et legeringslag kaldet bindingszonen. Loddeprocessen kan generelt deles i 2 hovedgrupper, afstemt efter loddetilsatsmaterialernes arbejdstemperaturområder, kaldet : Blødlodnin g Hårdlodning Blødlodning finder sted ved arbejdstemperaturer under 500 C og hårdlodning ved arbejdstemperaturer over 600 C. I intervallet mellem de 500 og 600 C, er et temperaturområde kaldet "Soldering gap", frit oversat fra eng. : Loddegabet. Dette betyder, at der i et temperaturområde på ca. 100 C, ikke eksistere r lod med arbejdstemperaturer indenfor dette interval. Næsten alle loddetilsatsmaterialer er såkaldte eutektikum, d.v.s. metallegeringer bestående af 2 til flere metaller med forskelligt smeltepunkt, f.eks. Cu/Ag eller Cu/Ni legeringer. Betegnelsen eutektisk betyder let smeltelig, efter græsk eutekos, af eu = godt og tekein = smelte. Limning 1.1. 3 Limning er en metode til fast sammenføjning af mange forskellige materialer, f.eks. tekstiler, træ, sten, glas og metaller. Som faglig betegnelse for processen kan man benytte båd e limning og klæbning, men den korrekte betegnelse for materialet lim, er i dag klæbestof. Ved klæbning eller limning forstås den proces der udføres for, at sammenføje to faste emner med et ikke-metallisk materiale. Bindingen mellem emnerne opnås ved, at påføre klæbestoffet i et lag mellem disse, hvorved der gennem klæbe - stoffets indre sammenhængskraft, kohæsionen, opnås adhæsion, klæbning, mellem emnerne. Klæbningen binder de to emner sammen til en fast enhed, uden at deres oprindelig e struktur berøres. 23
Visse klæbestoffer indgi r i kemisk forbindelse med limemnernes overflade, hvorved der kan skabes særligt stærk e samlinger, men i almindelighed kan limene/klæbestofferne betegnes som neutrale materialer der forbinder emners over - flader, uden at deres stru ur ændres væsentligt. Førhen fandtes der kun klæbestoffer af animalsk eller organisk oprindelse som eks.: Benlim eller hudlim, der bestod af æggehvidestoffer udvundet af førnævnte animalske produkter, der efterfølgende behandledes kemisk, og forskellig e koldlime eller klistre af vegetabilsk oprindelse, som stivelse, dekstrin og gummi arabicum. De fleste såkaldte naturlime, er i dag fortrængt af syntetiske klæbestoffer. De syntetiske produkter omfatter, blandt mange, limtyper som kaldes : Fenolformaldehydlim Polyvinylkloridlim Silikoneli m Metalacrylat Polyuretanlim Epoxyli m 24
Elektriske grundbegreber 2 Proceserne; MIG/MAG-, TIG-, Plasma-, Pulver-, og lysbuesvejsning med beklædte elektroder, der er almindeligt an - vendt i industrien, går allesammen under den teknisk betegnelse : Lysbuesvejseprocesser. Lys b u esvej se p roce sse r Elektrisk effekt 2. 1 Ved alle lysbuesvejseprocesserne er det en nødvendighed, a t man er i stand til at manipulere med svejsestrøm, (ampere) Svejsestrøm (ampere ) og lysbuespænding, (volt). Størrelsen af de to faktorer er for- Lysbuespænding (volt ) skellig, afhængig af svejseproces og emne. Det typiske for alle svejsestrømme er at de er store, fra nogle få ampere op til flere hundrede. Svejsespænding ligger ty - pisk mellem ca. 15 og 50 volt. Herudover kræver visse svejse - processer en højere tændspænding. Normal elektrisk energi, der kan tages fra det almindelig e forsyningsnet, er kendetegnet ved høj spænding, fra 220 ti l 380 volt, og en relativ lav strømstyrke. Derfor skal der indskydes svejsemaskiner for at kunne regulere de omtalt e strøm og spændingsforhold. Elektrisk effekt (Watt), udtrykkes ved formlen : U (Volt) x I (Ampere) og man kan med en høj spænding og lille strøm - styrke eller lav spænding og høj strømstyrke, opnå ganske samme effekt som eksemplerne : Netside : Svejseside : U 380 x I 30 = 11.400 Watt U 38 x I 300 = 11.400 Watt Med indkobling af svejsemaskiner, sker der en omtransformering mellem el-forsyningsnettet og svejsestrømkredsen, der resulterer i en lavere spænding og en højere strøm. End - videre danner svejsemaskinen en sikring imod de, for forsyningsnettet, ødelæggende kortslutninger der er en naturli g og uundgåelig følge af lysbuesvejsning. Omtransformeret strøm fra forsyningsnettet (primærstrømmen), til en lavere spænding på svejsestrømmen (sekundær- Primærstrømme n sekundærstrømme n 25
strømmen), tilgodeser de procesbetingede krav til denne o g formindsker de el-sikkerhedsmæssige risikomomenter fo r svejseopratørerne. 2. 2 Atomkerne r Elektrone r loner Elektricitet Omkring en atomkerne kredser negativt ladede elektrone r med stor hastighed. Disse er ordnede i afstukne baner, ford i der mellem atomkernen og de kredsene atomer, eksisterer e n tiltrækningskraft der holder dem fast i banerne. Elektrone r kan, af forskellige årsager, komme ud af deres bane, hvilket kan medføre at kernen får overskud eller underskud af elektroner. Når atomer bliver enten negative eller positive, bliver de elektrisk aktive og kaldes herefter for ioner. Får et legeme overskud af elektroner bliver det negativt ladet og på grund af en indbyrdes frastødning, der eksisterer mellem elektronerne, vil disse forsøge at sprede sig. Man kan sige, at d e "udøver et vist tryk". Elektrisk leder Neutralt legeme Er det nævnte legeme en såkaldt elektrisk leder, eksempelvi s af kobber, og dette berører et såkaldt neutralt legeme, vi l føromtalte "tryk" forårsage, at elektronerne vil forsøge a t vandre over i dette. Man kan sige at der hersker en trykforskel mellem det ladede og det neutrale legeme, der gør a t elektronerne forsøger at gennemføre en "trykudligning" ve d at vandre fra det ene legeme til det andet. Trykforskellen kal - des for spænding og den, ved passagen, dannede elektron - strøm for strøm. For bedre at anskueliggøre definitionerne strøm og spæn - ding, kan man forestille sig, at den elektriske leder er en rør - ledning, der gennemstrømmes af vand. Trykket i røret vil herefter svare til den elektriske spænding og gennemstrømningen pr. tidsenhed til strømmen. Ved et givet tryk er vandmængden afhængig af rørets tværsnit og beskaffenhed, hvilket nøje svarer til, at den elektrisk e strøm i en leder, ved en bestemt spænding, er afhængig a f dennes tværsnit og materialebeskaffenhed. Materialer, der let tillader elektroner at forskyde sig, når d e Elektriske ledere udsættes for spænding, kaldes derfor for elektriske ledere og Isolatorer materialer hvor elektronerne er mere stabilt bundne for isola - 26
torer. Alle metaller er mere eller mindre gode elektriske ledere og tilsvarende gode isolatorer er bl.a. materialerne glas, porcelæn, plast og gummi. Man kan opstille en slags "egnethedstabel" for gode elektriske ledere, ved at beskrive den stigende modstand, tallen e fra 1 til 4, for metallerne : 1. Sølv af økonomiske årsager ikke anvendt som kabelmateriale til svejsnin g 2. Kobber stærk leder og meget anvendt til kabler, herunder sekundærkabler til svejsning 3. Aluminium god leder. Anvendes både til almindelige - og svejsekabler/sekundærkabler 4. Jern relativ ringere elektrisk ledende egenskaber. Mod - stand, 7 gange større end kobber Elektrisk modstand Ved at lade en elektrisk strøm passere igennem en ledning, frembringes en trykforskel, en spænding, mellem ledningen s endepunkter, samtidigt med at strømmen møder en hvis modstand. Det må herefter være klart, at jo større modstand der er i lederen des mindre bliver strømmen hvis spændingen er konstant. Afhængighedsforholdet mellem spænding, strøm og mod - stand er, af fysikeren Ohm, udtrykt i en lov kaldet Ohms lov, der siger at den elektriske strøm (I) i en leder, er lig spæn - dingen (U) divideret med modstanden (R). 2.3 Ohms lo v Sættes Ohms lov op i en ligningsform får man : I R U Modstand måles altså i Ohm (SI), og kender man blot to af Ohm (S2 ) størrelserne I, U eller R, er det let at beregne den tredie ved at omskrive ligningen til følgende form : U = R I, eller R = I Da materialer har forskellig elektrisk modstand, er det selvfølgeligt interessant at præcisere et givet materiales specifikke modstand, den såkaldte resistivitet. Denne specifikke Specifikke modstan d Resistivitet 27
modstand betegnes med det græske bogstav, p der udtale s Rho. p angives som modstand målt i a, for et stykke af en leder der måler 1 m og har et effektivt tværsnit på 1 mm2 Er længden af en elektrisk leder I m og det effektive tværsnit A mm2, bliver modstanden i lederen: R = 1 p x Når en elektrisk strøm passerer gennem sekundærkablerne fra en svejsemaskine, udsættes disse for en opvarmning de r er afhængig af den elektriske"modstand i kablerne. Derfor er beregning af elektrisk modstand af stor betydning for, udregninger af elektriske kablers evne til at transportere svejsestrøm. Størrelsen af svejsestrømmen, kabellængderne og kablerne s tværsnit Da modstanden i kablerne, som bekendt er afhængig af båd e kabelmaterialet og kablernes effektive tværsnit og at denn e modstand stiger med kabellængden, er det vigtigt at dimensionere kablerne efter de aktuelle forhold, hvilket vil sige : Størrelsen af svejsestrømmen, kabellængderne og kablerne s tværsnit. Ved lysbuesvejsning med beklædte elektroder, regnes der normalt med et nødvendigt kabeltværsnit på 1 mm2 pr. 6 amp, for kabler på ca. 5-15 m. Anvendes længere kabler, ska l der kompenseres for denne "tommelfingerregel" ved at øge disses tværsnit. Talværdien for p er, for de forskellige materialer, angivet i teknisk litteratur, hvor denne eksempelvis er 0,0175 for kobber. Talværdien angives normalt ved en materialetemperatu r på 20 C. Skal man eksempelvis beregne modstanden i et sekundærkabel på 6 m, fremstillet af kobber og med et tværsnit på 5 0 mm2, anvender man formlen : R = p 1 A 28
Udregningen tager sig sådan ud : R = 0,0175. 50 = 0,0021. Den beregnede ohmske modstand er således 0,0021. For langt de fleste materialer er modstanden afhængig a f temperaturen og et givet materiales modstandsforandrin g ved forskellige temperaturer angives som temperaturkoefficienten a (alfa). Temperaturkoefficiente n a (alfa) Modstanden Rt = R 20 [1 + a (t - 20) ] Strømarter tii lysbuesvejsning Vekselstrøm Den normale strøm, leveret fra el-forsyningsnettet, er veksel - strøm der flyder gennem forsyningskablerne i vekslende retning. Vekselstrøm kaldes således, fordi den varierer melle m en maksimumværdi, den positive maksimumværdi, i de n ene retning og en ligeså stor maksimumværdi, den negative maksimumværdi, i den anden. Fremstillet grafisk tager et et simpelt strøm/tid diagram, for vekselstrøm sig ud som p å fig. 2.1. Vekselstrøm leveres i vesteuropa med en frekvens på 50 Hz, hvilket betyder, at den skifter fra positiv maksimumsværdi til negativ maksimumsværdi 100 gange pr. sekund. Man kan derfor ikke tale om en plus- eller minuspol for vekselstrøm s vedkommende, hvilket bl.a. gør at sekundærkabeltilslutningerne på vekselstrømstransformatorer til svejsning levere r den samme slags svejsestrøm. Da primærforsyningen af strøm, til svejsemaskiner, almindeligvis tappes fra det normale forsyningsnet, skal denne, for de fleste lysbuesvejseprocessers vedkommende, omformes ti l jævnstrøm, hvilket sker i selve svejsemaskinen. I den tungere industri, f.eks. værfts- og den sværrere konstruktionsindustri anvendes vekselstrøm som svejsestrøm næsten udelukkende til lysbuesvejsning med beklædte elektroder. Herudover anvendes vekselstrøm, som svejsestrøm, også til TIG-svejsning af aluminium og aluminiumslegeringer. 2.4 2.4. 1 Positive maksimumværd i Negative maksimumværd i Figur 2. 1 Strøm/tid diagram for veksel - strøm. Som vist, stiger strømme n fra 0 til en positiv maksimumværdi, aftager til 0, skifter retnin g og stiger til en negativ maksimumværdi, hvorefter den aftager ti l 0 igen. Den tid der medgår til et henholdsvis negativt og positivt forløb kaldes en periode elle r frekvens (Hz). 29
2.4. 2 Jævnstrø m Jævnstrøm der, som nævnt, ikke leveres gennem det normale el-forsyningsnet i Vesteuropa, kaldes således fordi den flyder igennem en leder, med en bestemt styrke og i en bestemt retning. Man kan tegne et grafisk billede af jævnstrøm, ved at fremstille det som strøm/tid diagram. Se fig. 2.2. W O Y 4' E t` N Ti d Figur 2. 2 Strøm/tid diagram for jævn - strøm. Ved at afsætte tiden horisontalt og strømstyrken vertikalt, vil strøm/tid diagrammet fo r jævnstrøm danne en horisonta l linie, for tiden, med vertikal angivelse af strømstyrken. Som ma n ser ligger vekselstrømmen alti d på samme side af den horisontale 0-linie. Jævnstrøm anvendes som svejsestrøm til den overvejend e del af alle lysbuesvejseprocesser, f.eks. : MIG/MAG-, TIG- og Plasmasvejseprocesserne. 2.4. 3 Svejsestrøm og lysbu e Som svejsestrøm anvendes, som tidligere nævnt både veksel - strøm og jævnstrøm, eller varianter heraf. Det karakteristiske ved en lysbue, der er baseret på vekselstrøm er, at den er relativ "urolig", på grund af de svingninger der er tilstede i strømmen. Jævnstrøm forekommer derimod stabil og "rolig" i lysbue n på grund af den jævnt flydende elektronstrøm. Dette natur - ligvis kun når der ikke anvendes pulserende lysbue, hvilket sommetider er en betingelse for en del specielle svejsearbejder, eller ved MIG/MAG-svejsning, i det såkaldte kortbue - område. Svejselysbue En svejselysbue kan karakteriseres som en selvstændig ud - ladning med lav brændspænding, og når en lysbue er tændt, kan den vedligeholdes uden såkaldte "ydre ioniseringskilder". Den totale spænding, Ubue, over en svejselysbue i statisk ligevægt, (her ses der bort fra længdesvingninger forårsaget af 30
bl.a. dråbeafsmeltninger f.eks. ved MIG/MAG-svejsning), e r en funktion af såvel strømmen, Ibue, gennem buelængden lbue U bu e = funktion (I bue, lbue) I lysbuen sker der det, at molekyler spaltes til atomer, der består af en positiv kerne, samt et antal negative elektroner. Nogle af elektronerne bliver revet fra og atomet er nu bleve t til en positiv ion. Elektronerne bevæger sig med stor hastighed fra minus polen, katoden, til plus polen, anoden, der heved opvarmes kraftigt. Ionerne bevæger sig den modsatte vej, fra anoden, men i et langsommere tempo, hvorved katoden ikke opvarmes så kraftigt som anoden. Molekyler der spaltes til atomer ioner og elektroner danner lysbueplasma. Plasma, sommetider kaldet den fjerde tilstand, betyder at et stof har ændret form over : Fast flydende gasformig, til plasmatilstand. Fig. 2.3. illustrer formændringen. Molekyler Positiv io n Katoden - Anode n Plasma, den fjerde tilstan d A y Io n O0 r OH Plasmatilstan d eks. H+ + O+ + elektroner Figur 2. 3 Stoffets forandring fra molekylær tilstand til plasmatilstand. - 9000 C Elektro n - ---H Atomar tilstand eks. H + 0-2000 C Frigjorte atome r - -------------- - Molekylar tilstand eks. H2O (is, vand, vanddamp ) Molekyle 31
Som man vil se er der forskellig opvarmning af elektroden, afhængig af om denne'har funktion som anode eller katode. Ved svejsning med vekselstrøm som svejsestrøm, er der i principet ens opvarmning af begge poler. Lysbuens funktion ved de forskellige lysbuesvejseprocesser, afhængig af gassammensætninger, pulsationsteknik, elektrodetype, etc., vil blive beskrevet nærmere under omtalen af d e respektive processer. 32
Beskyttelsesgasser 3 Beskyttelsesgasser er fællesbetegnelsen på forskellige gasser, eller gasblandinger, der anvendes til svejsning, hovedsagelig t i forbindelse med lysbueprocesserne MIG/MAG, TIG o g plasmasvejsning, men også ved andre svejseprocesser som eks. lasersvejsning. Gasbeskyttelse optræder imidlertid også i andre svejsemæssige sammenhænge. Ved gassvejsning med oxygen/acetylen, danner forbrændingsprodukterne "flammesløret", som beskytter smelten imod den atmosfæriske luft. Ved lysbuesvejsning med beklædte elektroder udvikles der beskyttelsesgas - ser af elektrodebeklædningen. Beskyttelsesgasserne kan have som formål, såvel at beskytte det smeltede materiale og elektroden mod den atmosfærisk e luft, som at indvirke på selve svejseprocessen. Det forekommer imidlertid også, at anvendelsen af en gas eller blandgas, alene har til formål at yde beskyttelse mod den atmosfæriske luft. Et typisk eksempel er anvendelsen af gas til beskyttels e af bagsiden af en svejsesøm. Kapitlet om beskyttelsesgasser omhandler beskyttelsesgasse r anvendt i forbindelse med MIG/MAG og TIG-svejsning. Beskyttelsesgasser anvendt i andre processammenhænge, vi l blive beskrevet i respektive afsnit, eksempelvis omhandlend e plasma- eller lasersvejsning. Beskyttelsesgassernes funktioner Ved MIG-, (Metal Inert Gas), MAG-, (Metal Aktiv Gas), o g TIG-, (Tungsten Inert Gas) svejsning er en af beskyttelsesgassernes funktioner som før nævnt, at beskytte elektrode o g smeltebad imod den atmosfæriske luft (nitrogen, oxygen og vanddamp). Denne funktion kan umiddelbart tilgodeses ved anvendelse af en inaktiv gas som argon eller helium, men helt så enkelt er valget ikke, når der også er procesteknisk e og økonomiske aspekter at tilgodese. 3. 1 Metal Inert Ga s Metal Aktiv Gas Tungsten Inert Ga s 33
Ved valg af gas- eller gasblanding skal man tage hensyn til dens betydning i sammenhæng med en række faktorer, de r hver for sig indvirker på slutresultatet af svejsearbejdet: Grundmaterialets sammensætning, struktur, dimensioner og egenskaber iøvrig t Tilsatsmaterialets sammensætning Svejsesømmens indbrændingsprofil Svejsesømmens overfladeprofil Svejsesømmens overfladetilstand MIG/MAG-procesvarianten (kortbue, spraybue eller pulsering) Omfanget af svejsesprøjt ved MIG/MAG- svejsnin g 3.2 Beskyttelsesgassers specifikke egenskabe r Beskyttelsesgasserne har en række specifikke egenskaber. Som væsentlige i denne sammenhæng kan betragtes gassernes ionisations- og dissociationsenergi samt varmeledningsevnen. Forskellige gasser og gasblandinger vil have forskellige egenskaber. lonisationsenergien Ionisationsenergien for en gas er et udtryk for den energi, de r Ion skal tilføres for at omdanne et atom til ion og elektron. Ioni- Elektronvolt sationsenergien måles som regel i elektronvolt (ev). 1 ev svarer til 1.6021. 10-19 Joule. Dissociationsenergien varmeledningsevnen Dissociationsenergien for en gas er et udtryk for den energi, der skal tilføres for at omdanne et molekyle til sine atomare bestanddele. Omdannelsen kan ske i flere dissociationstrin. Eksempelvis omdannes CO 2 i første trin til CO + 0 2, derefte r omdannes CO til C + 0 og 02 til 0 + O. Varmeledningsevnen skal primært betragtes i sammenhæng med den gas, som befinder sig udenfor den egentlige lysbue, idet kølevirkningen af den omgivende gas på lysbuen er e n væsentlig parameter for lysbuens form og øvrige karakteristikker. Med en fler-atomig (molekylær) beskyttelsesgas vil der i e t grænselag op til lysbuen være gang i dissociationsprocessen, 34
som kræver energitilførsel. Dissociation kan således bidrag e væsentligt til varmeafledningen fra en lysbuen. Kemis k tegn Massefylde (luft=1,293) [Kg/m3] Relativ massefyld e til luft Varmeledningsevn e [W/m K] Ionisationsenerg i [ev] Dissociations - energ i [ev] Reaktionsforhold ved svejsnin g Argon Ar 1,784 1,380 0,016 15,8 - Inakti v Helium He 0,178 0,138 0,143 24,6 - Inakti v Kuldioxid CO 2 1,977 1,529 0,015 14,4 Forskellig e reaktioner Oxiderend e Oxygen 0 2 1,429 1,105 0,024 13,6 5,1 Oxiderend e Nitrogen N2 1,251 0,968 0,024 14,5 9,8 Reaktionstræg Hydrogen H2 0,090 0,070 0,171 13,6 4,5 Reducerende Figur 3. 1 Beskyttelsesgassernes specifikke egenskaber ved 0 C og 1 ato (1.01 3 bar) W/cm2 0,16 Figur 3. 2 Spidserne på kurverne for molekylære gasser illustrerer dissociationens bidrag til varmelednin g 0,12 0,08 > c a c ~ v 0,04 i ~ 0 // \ i / ~ ~ N / / i ~ ` / ' ~ / % \~.. N 2 Ar- --- j 0 0 2000 Temperatu r 4000 6000 8000 10000 C Almindeligt anvendte gasser Almindeligt anvendt som beskyttelsesgas eller som komponent i en beskyttelsesgasblanding er argon (Ar), helium (He), kuldioxid (CO2 ), oxygen (02), nitrogen (N 2) og hydrogen (H 2 ). CO 2, 0 2, N2 og H 2 er molekylære gasser. 3.2. 1 Molekylære gasser Argon Argon som er en inaktiv en-atomig gas, udvindes fra atmosfærisk luft efter samme principper som udvindingen af oxy - 3.2.2 35
Blandgasser, kombinationsgasser gen og nitrogen. Det er den mest anvendte beskyttelsesgas i forbindelse med MIG/MAG- og TIG-svejsning. Enten som monogas eller som hovedkomponent i gasblandinger (blandgasser eller kombinationsgasser). Argon er tungere end luft, det vil sige, at den efter udløbet fra svejsebrænderen vil søge nedad. Det er for beskyttelsen af smeltebadet en absolut fordel ved svejsning på vandrette flader. Argon er i sammenligning med andre gasser en dårlig varmeleder, d.v.s. med argon forekommer den mindste køling af lysbuen. Det indbærer, at en lysbue i argon vil indstille si g med en større overflade (større bredde) end en tilsvarende lysbue i en gas med større varmeledningsevne. Til TIG-svejsning benyttes i langt de fleste tilfælde argon so m monogas (99,995% ren). Som følge af sin inaktivitet påvirke r den hverken wolframelektroden eller smeltebadet. Til MIG-svejsning benyttes argon som monogas hovedsageligt ved svejsning af kobber og kobberlegeringer, aluminium og aluminiumlegeringer samt nikkel og nikkellegeringer. Ve d svejsning af stål viser en argon lysbue sig så urolig, at den i praksis ikke benyttes. Det har vist sig, at forudsætningen for en stabil MIG/MAG lysbue med + pol på elektroden er, a t der på smeltebadets overflade forefindes en passende mængde oxider med relativt højt smeltepunkt. MIG/MAG-svejsning med gas med højt argon indhold resulterer i et indbrændingsprofil med udpræget vinglas- eller fingerform. 3.2.3 Heliu m Helium (He) udvindes fra nogle få forekomster i jorden. De t gør naturligvis gassen relativ dyr. Helium er som argon en enatomig inaktiv gas. Den er modsætning til argon betydeligt lettere end luft og vil derfor ved udstrømningen fra svejsebrænderen stige tilvejrs. Det betyder i praksis, at det med anvendelse af helium er nødvendigt at anvende relativt stort gasflow. Helium har ved stuetemperatur ca. 10 gange større varmeledningsevne end argon og ionisationsenergien er tilsvarende næsten 2 gange større. Det medfører i praksis ved TIG- 36
svejsning, at en lysbuen under ren helium kan være vanskeligere at etablere. En tilsætning af blot en mindre mængde argon, om ikke andet blot i tændingsøjeblikket, kan benytte s for at lette etableringen af TIG-lysbuen. Heliums store varmeledningsevne medfører at helium-lysbuen er betydeligt indsnævret i sammenligning med en argonbue, og at svejsespændingen for samme svejsestrøm blive r meget højere end ved anvendelse af argon. Helium-lysbuen fremtræder derfor som en kraftigere varmekilde. Ved MIG - svejsning vil helium være tilbøjelig til at give svejsesprøjt. Helium benyttes primært som komponent i blandgasser, fo r at afpasse energikoncentrationen i lysbuen efter jobbet og fo r at skabe bedre betingelser for jævn overgang mellem svejsesømmens overflade og grundmaterialet. Hydrogen 3.2.4 Hydrogen (H2 ) er en to-atomig gas, som kan udvindes ved kemisk proces eller elektrolysse. Hydrogen er endnu lettere end helium. Det er imidlertid ikke en inaktiv gas, men virker reducerende på forekommende oxider. Hydrogen er brænd - bar og eksplosionsfarlig i rette blandingsforhold med luft. Ve d svejsning anvendes den kun som komponent i blandgasser. Varmeledningsevnen ved stuetemperatur er større end for helium. Ved de høje tempe-raturer, som forekommer omkring en lysbue, får varmeledningen et betydeligt bidrag fr a dissociationen af den to-atomige gas. Følgelig er hydrogen i blandgasser betydeligt mere effektiv end helium som regulator af lysbuens energi (fig. 3.3). Metallurgisk set er hydrogen bandlyst i forbindelse me d mange metalliske materialer. Undtagelser er austenitiske rustfrie stål, nikkel og visse nikkellegeringer, hvortil beskyt - telsesgassen vil kunne indeholde indtil 5-10% hydrogen. TIG-Indbrændingsprofil Figur 3.3 Indbrændingsprofiler ved TIG - svejsning med Ar, 2 forskellig e Ar/He-blandgasser og en Ar/H 2 blandin g 100%Ar 50%Ar + 50%H e 13V 15V 100%H e 21V 95%Ar + 5%H 2 14V 37
3.2.5 Kuldioxi d Kuldioxid (CO 2) er en fler-atomig gas, som udvindes af atmosfærisk luft. CO2 er tungere end både luft og argon. Som følge af, at der ved dissociation frigøres oxygen, virker CO2 oxiderende (forbrændende) ved de høje temperaturer som er kendetegnede for lysbuesvejsning. CO2 kan således ikke anvendes til TIG-svejsning af hensyn til wolframeletroden. Varmeledningsevnen af CO2 svarer ved stuetemperatur til argon, men ved de høje temperaturer omkring lysbuen giver dissociationen anledning til betydelig varmeafledning fra lysbuen. CO2 anvendes i stor udstrækning stadigt som monoga s (ublandet) ved MAG-svejsning af ulegerede stål, især i forbindelse med pulverfyldte rørtråde. Benævnelsen CO2-svejsning benyttes ligefrem som synonym for den teknisk korrekte betegnelse MAG-svejsning. Kuldioxids beskyttelse af svejseprocessen mod den atmosfæriske luft understøttes af, at gassen i forbindelse med dissociationen ekspanderer kraftigt, der indtræffer en volumen-forøgelse. MAG-svejsning med massiv tråd under dække af CO 2 giver i modsætning til svejsning med argonrig beskyttelsesgas et afrundet indbrændingsprofil (fig. 3.4), Det er i mange sammenhænge fordelagtigt for undgåelse af koldløbninger. En af ulemperne, ved at anvende ren CO 2, kan være at der dannes forholdsvis meget svejsesprøjt. Figur 3.4 Typisk indbrændingsprofil fo r MAG-svejsning med ren CO 2 og med en blanding af 82% Ar o g 18% CO 2 MAG-Indbrændingsprofi l 100%CO2 82%Ar + 18%CO 2 38
Nitrogen 3.2.6 Nitrogen (N 2) er en to-atomig gas, som udvindes af den atmosfæriske luft og er en anelse lettere end luften. Den kan ved høj temperatur gå i forbindelse med forskellige stoffer og kan give anledning til poredannelse i svejsemetal. Hertil kommer, at der i forbindelse med lysbuesvejsning dannes nitrøse gasser (NO), som er helbredsskadelig. Følgelig benyt - tes nitrogen kun i begrænset omfang til beskyttelse af svejseprocessen. Nitrogens varmeledningsevne ved stuetemperatur er højere end for argon. Dissociation af N2 yder sit bidrag til varmeafledningen fra lysbuen. Anvendelsen af nitrogen til svejsning er udelukkende knyttet til svejsning af kobber med godstykkelse på 3-4 mm og derover. Såvel i forbindelse med MIG-svejsning som med TIGsvejsning. Denne specielle anvendelse hænger sammen med at energikoncentration i en lysbue under nitrogen er så stor, at den i stor udstrækning kan kompensere for den store varmeafledning i kobbermaterialet. Svejseforløbet kan virke noget uroligt, men kan stabiliseres ved tilsætning af argon. Der eksperimenteres ved svejsning af visse typer ferrit-austenitiske rustfrie stål (Duplex-stål) med tilsætning af få procen t nitrogen i argon. Nitrogen er en stærk austenitdanner, hvorfor den kan være medvirkende til at opnå det ønskede ind - hold af austenit i svejsesømme i sådanne stål. Blandgasser Betegnelsen blandgasser, dækker gasblandinger med to eller flere gaskomponenter. 3.2. 7 Ved TIG-svejsning vil en blandgas normalt være på to-komponent basis med argon som den ene komponent. Den anden komponent er som regel enten helium eller hydrogen. Tilsætningen af hydrogen til argon kan typisk være mellem 2% og 10%. Anvendte blandingsforhold mellem argon og helium er normalt koncentreret omkring 3 niveauer : 75% Ar/25% He. 50 % Ar/50% He og 25% Ar/75% He. Sådanne blandinger bruge s 39
ved så el TIG- som MIG-svejsning. Fig. 3.5 illustrerer effekten af'fe-tilsætning til argon. Figur 3. 5 Forskel i indbrændingsprofil ve d svejsning med Ar og en Ar/He blandin g MIG Indbrændingsprofi l 100%Ar 280A/25V 50%Ar + 50%He 280A/28 V Ved MAG-svejsning er der hyppigst tale om to-komponent gasser, men gasser med 3 eller 4 komponenter anvendes i stigende omfang, dog ikke i forbindelse med pulverfyldte rørtråde. To-komponent gasser har, for MAG-svejsning af stål, argon som hovedkomponent CO2 eller O2 som den anden. Tre-komponent gasser kan omfatte blandinger af Ar, CO 2 o g 02 eller af Ar, He og CO2. Fire-komponentgasser består af Ar, He, CO2 og O2 eller af Ar, He, CO2 og H2. 3.3 Baggasser Betegnelsen baggasser dækker gasser eller gasblandinger, der anvendes til beskyttelse af bagsiden af en svejsesøm. Størst omfang af anvendelsen af baggas finder sted ve d svejsning af rustfrie stål for at undgå afbrænding (oxidering ) af krom ved overfladen af såvel svejsesøm som varmepåvirket grundmateriale. Korrosionsbestandigheden af overfladerne nedsættes drastisk, såfremt kromindholdet reducere s ved forbrænding. Ved svejsning af titan er dækning af bagsiden med en inaktiv gas absolut nødvendig såvel af korrosions- som af styrke - mæssige hensyn. Også ved svejsning af nikkel og dets lege - ringer og af kobber og kobberlegeringer må der anvende s baggasdækning. Ved svejsning af ulegerede stål er det påkrævet med beskyttelse af bagsiden, hvis glødeskal skal und- 40