Efteruddannelse i Materialeteknologi Kursus A5. Sammenføjning af. aluminium

Efteruddannelse i Materialeteknologi Kursus A5 Sammenføjning af aluminium Kursusmateriale udviklet under lov 271 om efteruddannels e i et samarbejde melle m Danmarks Ingeniørakademi, Dansk Teknologisk Institut, FORCE Institutterne og Forskningscenter Risø 1995

Sammenføjning af aluminiu m 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, Københav n Indhold : DTI Tryk, Taastru p DTI Forla g Dansk Teknologisk Institut ISBN 87-7756-317-4 Kopiering i uddrag er tilladt med kildeangivelse

Sammenføjning af aluminium Forord 9 Forord til A5 1 1 Referencer 13 1 Indledning 19 1.1 Faste Sammenføjninger 19 1.1.1 Svejsning 20 1.1.2 Limning 2 1 2 Elektriske grundbegreber 23 2.1 Elektrisk effekt 23 2.2 Elektricitet 24 2.3 Elektrisk Modstand 25 2.4 Strømarter til lysbuesvejsning 2 7 2.4.1 Vekselstrøm 2 7 2.4.2 Jævnstrøm 2 7 2.4.3 Svejsestrøm og lysbue 28 3 Beskyttelsesgasser 3 1 3.1 Beskyttelsesgassernes funktioner 3 1 3.2 Beskyttelsesgassers specifikke egenskaber 3 2 3.2.1 Almindeligt anvendte gasser 3 3 3.2.2 Argon 3 3 3.2.3 Helium 34 3.2.4 Hydrogen 35 3.2.5 Kuldioxid 36 3.2.6 Nitrogen 3 7 3.2.7 Blandgasser 3 7 3.3 Baggasser 38 3.3.1 Formiergas 39 3.3.2 Nitrogen-baggas 39 3.3.3 Argon/ hydrogen-baggas 40

4 Varmepåvirkning af det svejste materiale 4 1 4.1 Struktur og egenskaber i svejsemetal og HAZ 44 4.2 Tilsatsmaterialevalg og fugegeometri 46 4.3 Svejsningens forberedelse og udførelse 50 4.4 Varmebehandling efter svejsning 53 4.5 Svejsefejl og specielle metallurgiske skader 54 5 Svejseudrustning 59 5.1 Indledning 59 5.2 Udstyr der anvendes til person- og miljøbeskyttelse 60 5.2.1 Personlige værnemidler 60 5.2.2 Miljøværn 62 5.3 Udstyr der anvendes ved forberedelse til svejsning 66 5.3.1 Positioneringsudstyr 6 7 5.3.2 Clamps 72 5.4 Udstyr der anvendes til udførelse af svejsning 74 5.4.1 Udstyr til lysbuesvejsning med beklædte elektroder 75 5.4.2 Udstyr til pulversvejsning 78 5.4.3 Udstyr til MIG/MAG-svejsning 79 5.4.4 Udstyr til TIG-svejsning 8 1 5.4.5 Udstyr til plasmasvejsning 83 5.4.6 Udstyr til lasersvejsning 85 5.4.7 Udstyr til elektronstrålesvejsning 8 7 6 Svejseprocedurer 89 6.1 Forord 89 6.2 Standarder og svejseprocedurer 90 7 Certificering af svejsere 95 7.1 Forord 95 7.2 EN 287, del 1 og 2 : 1992 96 7.3 Svejsestandarder og konstruktionsnormer 99 7.4 Kvalitetsstyring - svejseprøve og certificering 100 7.5 Forberedelse til certificering 101

7.6 Forkortelser i EN 287 - del 1 og 2 103 7.6.1 Svejseprocesser 1 04 7.6.2 Fugetyper 1 04 7.6.3 Prøveemner 1 04 7.6.4 Dimensioner 1 04 7.6.5 Materialetyper 105 7.6.6 Beklædte elektroder: Typer 105 7.6.7 Prøvesvejsningens udførelse 106 7.6.8 Svejsestillinger 1 06 7.7 Udførelse af svejseprøve 106 7.8 WPS og pwps 1 08 7.9 Svejsecertifikaters gyldighedsområder 108 7.10 Svejsecertifikaters gyldighedsperiode 109 7.10.1 Forlængelse af certifikaters gyldighedsperiode 109 8 MIG/MAG-svejsning 11 1 8.1 Historie 11 1 8.2 Funktionsprincip 113 8.2.1 Generelt 11 3 8.2.2 Strømkilder 11 4 8.2.3 Svejsemaskiner til MIG/MAG-svejsning 11 7 8.2.4 Principper for materialeovergange ved MIG/MAGsvejsning 11 9 8.2.5 Synergisk pulssvejsning 120 8.3 Forprogrammering af MIG/MAG-svejsedata 122 8.3.1 Generelt 1 22 8.3.2 Programmering, gennemførelse og kontrol me d svejsedata 1 23 8.4 MIG-svejsning af aluminium 124 8.4.1 Generelt 1 24 8.4.2 Proceshåndtering ved MIG-svejsning af aluminium 125 8.4.3 Puls-MIG-svejsning af aluminium 126 9 TIG-svejsning 129 9.1 Historie 1 29 9.2 Funktionsprincip 13 0 9.2.1 TIG-svejsepistol 13 1 9.2.2 TIG-lysbuen 132

9.3 TIG-svejsning med pulserende lysbue 134 9.4 TIG-svejseprocessens udnyttelse 13 5 9.5 TIG-svejsning af aluminium 1 36 9.5.1 Generelt 136 9.5.2 Proceshåndtering ved TIG-svejsning af aluminium 138 10 Lasersvejsning 143 10.1 Historie 143 10.2 Funktionsprincip 144 10.2.1 Lysdannelse 144 10.2.2 Lysforstærkning 145 10.3 Opbygningsprincip 146 10.4 Laserstrålen 148 10.5 Lasertyper 15 1 1 0.5.1 CO2-lasere 15 1 10.5.2 Nd-YAG-lasere 1 5 3 10.6 Anvendelsesområder 15 4 10.6.1 Generelt 1 5 4 10.6.2 Svejsning 1 5 5 10.7 Lasersvejsning af aluminium 15 6 10.7.1 Praktisk anvendelse af lasere til svejsning af aluminium. 157 10.7.2 Konklusioner vedrørende lasersvejsning af aluminium.. 15 9 11 Elektronstrålesvejsning 16 1 11.1 Indledning 16 1 11.2 Svejseudstyr 1 6 3 11.2.1 Funktionsprincip 16 4 11.3 Svejsning 1 6 6 11.3.1 Materialer, egnet til sammenføjning med elektronstråle - svejsning 1 6 8 11.3.2 Fugeforberedelse ved EB-svejsning 16 9 11.3.3 Sammenfatning af svejseparametrenes indvirkning p å indtrængning og bredde af svejsning ved EB-svejsning 17 2 11.3.4 Generelle forhold ved planlægning af EB-svejsning 172

12 Limning 175 12.1 Indledning 1 7 5 12.2 Procesbeskrivelse 1 7 5 12.3 Anvendelse af limprocessen 177 12.3.1 Udformning af limsamlinger 179 12.3.2 Klargøring af limfuger 18 1 12.4 Limtyper 1 8 2 12.4.1 Termoplastiske limtyper 18 3 12.4.2 Termohærdende lim 18 4 1 2.4.3 Elastomere lim 18 5 12.5 Kvalitetsstyring af limprocessen 186 Stikord 189

Forord Denne lærebog indgår i et omfattende, modulopbygget syste m af efteruddannelseskurser,»efteruddannelse i Materialeteknologi«, som har til formål at ruste dansk erhvervsliv til a t 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 o g 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 kur - sus - eller ved selvstudium - vil være et godt bidrag til en sådan opgradering af kvalifikationerne hos den enkelte. For at bogen kan tjene både som kursusmateriale, opslags - bog og kilde til supplerende viden, er den forsynet me d 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 a f klarlægning af behov og løbende vurdering af materialet ve d deltagelse i følgegrupper. Udviklingsarbejdet er foretaget 9

med støtte fra Undervisningsministeriet (Lov 271 Lov om Efteruddannelse), og herunder har Indsatsgruppen for Materialeteknologi samt de tilknyttede referees ligeledes ydet en god indsats med henblik på afstemning mellem erhvervsli - vets behov og materialets indhold. Taastrup, marts 199 3 På konsortiets vegne Lorens P. Sibbesen (projektadministrator) 10

Forord til A5 Lærebogen danner grundlag for undervisningen på undervisningsmodulet A5 : Sammenføjning af aluminium. Sammen med en arbejdsmappe beregnet til egne notater o g opsamling af supplerende udleveret kursusmateriale, indeholdende notatpapir og skemaer for undervisningstilrettelæg-gelsen, udgør bogen det materiale der anvendes på kursusmodulet. Kursets formål er, at give en grundig indføring i sammenføjningsprocessernes funktions-principer, 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 den fagterminologi der knytter sig til processerne, samt vigtig e dele af de anvisninger og standardmæssige forskrifter, der e r en integreret del af kvalitetsstyringen i forbindelse med anvendelsen af processerne. Ved udarbejdelsen af materialet har følgende forfattere med - virket : Kapitlet om beskyttelsesgasser - Palle Aastrup FORCE Institutterne. Kapitlet om varmebehandling og svejsning - J. Vagn Hanse n FORCE Institutterne Materialets øvrige kapitler - Arnold Djuraas FORCE Institutterne. Brøndby, juli 1993 Asmus Diederichsen Civilingeniør Arnold Djuraas Svejsetekniker/uddannelseskonsulent 11

Reference r Under udarbejdelsen af lærebogsmaterialet til modul A5 - sammenføjning af aluminium, R5- sammenføjning af rustfri t stål, nikkel og titanium, og S5- sammenføjning af stål, højstyrkestål og støbejern, er der anvendt billedmateriale o g 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, herunder tekst, figurer og tabeller, er der anvendt materiale fra fagtidsskrifter, tekniske publikationer lærebøger m.m., samt forfatternes egne notater eller optegnelser fra foredragsvirksomhed, artikler m.m. Følgende materialer har dannet grundlag for udarbejdelsen 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 Schweißtechnik Handbuch des Unterpulverschweißsens, Teil I/II, Deutscher Verlag für Schweißtechni k Handbuch der Schweißverfahren Teil I : Lichtbogenschweißverfahren Deutscher Verlag für Schweißtechni k Der Schweißlichtbogen, ein technologisches werkzeug, Deutscher Verlag für Schweißtechnik Mogens Bertung: Manipulationsmuligheder med MIG/MAG-processen, FORCE Institutterne publikation nr. : 81.32 13

ESAB Welding handbook : Filler materials for manual and automatic welding, ESAB AB Göteborg Sweden MNC handbok nr. : 15 : Svetsning av stål, SIS Stockholm 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, Norg e Erik Kongshavn : Brugervejledning til EN-standard 288-3, FORCE Institutterne - publikation nr. : 92.22 Submerged-Arc Welding, The Welding Institute Abington Hall, Cambridge CBI 6AL David Belforte - Morris Levitt: The Industrial Laser Annual Handbook, PennWell Books, Laser Focus, Tulsa Oklahoma US A Arnold Djuraas : TIG-svejsning af kobberrør 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 14

Christopher Dawes, CEng : Laser welding - A practical guide, Abington Publishing, Englan d 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 199 2 Handbuch - Schweißzusatzwerkstoffe, Messer Griesheim GmbH, Informationsabteilung, Frankfur t am Main, Deutschland Günter Aichele: Schutsgasschweissen, Verfahren, Anwedung, Wirtschaftlichkeit, Messer Griesheim GmbH, Informationsabteilung, Frankfurt am Main, Deutschland Erik Rasmussen, Palle Aastrup, Bent Clemmenses, Jens 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 mild 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. : 89.56 Steen Ussing : Svejsning af rustfrit stål med pulverfyldt rørtråd og puls-mig, FORCE Institutterne - publikation nr. : 89.37 Lars Ravnholt Jensen : Plasma-keyhole svejsning af I-sømme i rustfrit stål, FORCE Institutterne - publikation nr. : 89.35 Palle Aastrup : Arbejdsområder for MIG-svejsning af kantsømme i aluminium, FORCE Institutterne - publikation nr. : 93.20 Birger Hansen : Europæiske standarder for svejsning og prøvning, 1992/93, FORCE Institutterne - publikation nr. : 93.01 15

Thomas Aaboe Jensen: Tyndplade lasersvejsning, materialemæssige forhold, FORCE Institutterne publikation nr.: 92.8 5 Birger Hansen : Anvendelse af de europæiske standarder for 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 fo r svejsning, Del 1 : Fortegnelser over standarder, FORCE Institutterne publikation nr.: 92.45 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.: 91.5 6 Palle Aastrup : TIG- og plasmasvejsning, FORCE Institutterne publikation nr. : 88.34 Erik Ejersted : Svejseteknologi svejseprocesser m.m., FORCE Institutterne publikation nr. : 87.6 0 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 16

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 17

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 sammenføjnings - kategorier : 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 med hjælp af destruktive værktøjer af en eller anden art. Faste sammenføjninger 1. 1 De faste sammenføjningsmetoder er beskrevet med to kategorier; svejsning og limning, der hver for sig, er medtaget p å baggrund af egnethedsvurdering til sammenføjning af aluminium. De følgende kapitler vil omtale de hyppigst anvendte metoder til fast sammenføjning af konstruktionsdele af aluminium og de sammenføjningsmetoder der vil blive gennemgået i denne lærebog er : MIG/MAG-svejsning TIG-svejsnin g Plasmasvejsnin g Lasersvejsning Elektronstrålesvejsnin g Limning De 5 første, faste sammenføjningsmetoder, benævnes unde r fælleskategorien svejsning, mens den sidstnævnte metod e limning, tilhører sin egen specielle kategori. Begge kategorier 19

har indbyrdes forskellige egenskaber, med hensyn til styrke og modstandsdygtighed overfor såvel mekaniske, tryk, temperatur og mediemæssige påvirkninger. Der findes naturligvis flere mere eller mindre almindelig e svejseprocesser som eks., MBL- og friktionssvejsning, etc. Da de nævnte processer i reglen anvendes under helt speciell e produktionsforhol, vil de ikke blive nærmere omtalt i denn e lærebog og procesbeskrivelser af disse, må derfor hentes i speciallitteraturen. Loddeprocessen der kan være en tredie metode til sammen - føjning af aluminium er ikke medtaget i denne lærebog. Denne sammenføjningsmetode har, uanset de stærke materiale - nedbrydende virkninger den har på aluminium, og de relativt vanskelige håndteringsforhold processen byder på, tidligere været meget anvendt til sammenføjning af aluminium. Metoden benyttes bl.a. af ovennævnte årsager sjældent og kun i stærkt reduceret omfang, på konstruktioner af aluminium. Nyere sammenføjningsmetoder, har forlængst distanceret denne metode og helt fortrængt den til nicher, hvor der a f forskellig årsag, ikke er mulighed for at anvende andet. Nærmere beskrivelser af aluminiumslodning må derfor hentes i specialliteratur, omhandlende dette emne. Svejsning og limning Sammenføjningsmetoderne, omtalt under betegnelserne : svejsning og limning, kan kort beskrives som i efterfølgend e indledende kapitler : Svejsnin g 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 af varme uden at tilføre kraft og ved tryksvejsning anvende s der kraft eller både varme og kraft. 20

Limning 1.1.2 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 både limning og klæbning, men den korrekte betegnelse for materialet lim, er i dag klæbestof. Ved klæbning eller limning forstås den proces der udføre s 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 klæbestoffets indre sammenhængskraft, kohæsionen, opnås adhæsion, klæbning, mellem emnerne. Klæbningen binder de t o emner sammen til en fast enhed, uden at deres oprindelig e struktur berøres. Visse klæbestoffer indgår i kemisk forbindelse med limemnernes overflade, hvorved der kan skabes særligt stærke samlinger, men i almindelighed kan limene/ klæbestoffern e betegnes som neutrale materialer der forbinder emners over - flader, uden at deres struktur ændres væsentligt. Førhen fandtes der kun klæbestoffer af animalsk eller organisk oprindelse som eks. : Benlim eller hudlim, der bestod a f 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, e r i dag fortrængt af syntetiske klæbestoffer. De syntetiske produkter omfatter, blandt mange, limtype r som kaldes : Fenolformaldehydli m Polyvinylkloridli m Silikonelim Metalacrylat Polyuretanlim Epoxylim 21

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 rocesse r Elektrisk effekt Ved alle lysbuesvejseprocesserne er det en nødvendighed, at man er i stand til at manipulere med svejsestrøm, ( ampere) Svejsestrøm (ampere) og lysbuespænding, ( volt ). Størrelsen af de to faktorer er Lysbuespænding (volt) forskellig, 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 typisk mellem ca. 15 og 50 volt. Herudover kræver visse svejseprocesser en højere tændspænding. Normal elektrisk energi, der kan tages fra det almindelige forsyningsnet, er kendetegnet ved høj spænding, fra 220 ti l 380 volt, og en relativ lav strømstyrke. Derfor skal der ind - skydes svejsemaskiner for at kunne regulere de omtalte 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 gansk e samme effekt som eksemplerne : 2. 1 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 23

strømmen ), tilgodeser de procesbetingede krav til denne og formindsker de el-sikkerhedsmæssige risikomomenter for svejseopratørerne. 2.2 Atom kern er Elektroner loner Elektrisk leder Neutralt legeme Elektricitet Omkring en atomkerne kredser negativt ladede elektroner 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. Elektroner 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 d e 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 de "udøver et vist tryk". 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 trykfor - skel mellem det ladede og det neutrale legeme, der gør at elektronerne forsøger at gennemføre en "trykudligning" ved at vandre fra det ene legeme til det andet. Trykforskellen kaldes 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 vi l herefter svare til den elektriske spænding og gennemstrømningen pr. tidsenhed til strømmen. Ved et givet tryk er vandmængden afhængig af rørets tvær - snit og beskaffenhed, hvilket nøje svarer til, at den elektrisk e strøm i en leder, ved en bestemt spænding, er afhængig af dennes tværsnit og materialebeskaffenhed. Elektriske ledere Isolatorer Materialer, der let tillader elektroner at forskyde sig, når d e udsættes for spænding, kaldes derfor for elektriske ledere og materialer hvor elektronerne er mere stabilt bundne for isola- 24

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 svejsning 2. Kobber - stærk leder og meget anvendt til kabler, herunder sekundærkabler til svejsnin g 3. Aluminium - god leder. Anvendes både til almindelige - og svejsekabler/sekundærkable r 4. Jern - relativ ringere elektrisk ledende egenskaber. Mod - stand, 7 gange større end kobber Elektrisk modstand 2.3 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 hvi s 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 ). Ohms lov 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 (SI ) størrelserne I, U eller R, er det let at beregne den tredie ved a t omskrive ligningen til følgende form : U = R I, eller R= I Da materialer har forskellig elektrisk modstand, er det selv - følgeligt interessant at præcisere et givet materiales specifikke modstand, den såkaldte resistivitet. Denne specifikke Specifikke modstan d Resistivitet 25

modstand betegnes med det græske bogstav, p der udtale s Rho. p angives som modstand målt i II, for et stykke af en leder der måler 1 m og har et effektivt tværsnit på 1 mme Er længden af en elektrisk leder 1 m og det effektive tværsnit A mm2, bliver modstanden i lederen : R = p 1 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 e r beregning af elektrisk modstand af stor betydning for, udregninger af elektriske kablers evne til at transportere svejse - strøm. 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 denne 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 de r normalt med et nødvendigt kabeltværsnit på 1 mm2 pr. 6 amp, for kabler på ca. 5- til 15 m længde. Anvendes længere kabler, skal 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 materialetemperatur på 20 C. Skal man eksempelvis beregne modstanden i et sekundærkabel på 6 m, fremstillet af kobber og med et tværsnit på 50 mm 2, anvender man formlen: 1 R = p Å Udregningen tager sig sådan ud: R = 0,0175. 50 = 0,0021. Den beregnede ohmske modstand er således 0,0021. 26

For langt de fleste materialer er modstanden afhængig af temperaturen og et givet materiales modstandsforandrin g ved forskellige temperaturer angives som temperaturkoefficienten a ( alfa ). Temperaturkoefficiente n a (alfa ) Modstanden Rt = R20 [1 + a (t - 20) ] Strømarter til lysbuesvejsnin g Vekselstrøm Den normale strøm, leveret fra el-forsyningsnettet, er veksel - strøm der flyder gennem forsyningskablerne i vekslende retning. Vekselstrøm kaldes således, fordi den varierer mellem en maksimumværdi, den positive maksimumværdi, i den ene retning og en ligeså stor maksimumværdi, den negative maksimumværdi, i den anden. Fremstillet grafisk tager et et simpel t strøm/tid diagram, for vekselstrøm sig ud som på fig. 2.1. Vekselstrøm leveres i vesteuropa med en frekvens på 50 HZ, hvilket betyder, at den skifter fra positiv maksimumsværd i til negativ maksimumsværdi 100 gange pr. sekund. Man kan derfor ikke tale om en plus- eller minuspol for vekselstrøms 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, fo r 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 næ - sten 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 Strømtid 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 positiv t forløb kaldes en periode elle r frekvens ( Hz ) Jævnstrø m 2.4.2 Jævnstrøm der, som nævnt, ikke leveres gennem det normal e el-forsyningsnet i vesteuropa, kaldes således fordi den flyde r igennem en leder, med en bestemt styrke og i en bestemt retning. Man kan tegne et grafisk billede af jævnstrøm, ved a t fremstille det som strøm/tid diagram. Se fig. 2.2. 27

Tid Figur 2. 2 Strømtid diagram for jævn - strøm. Ved at afsætte tiden horisontalt og strømstyrken vertikalt, vil strøm/tid diagrammet for 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-lini e Jævnstrøm anvendes som svejsestrøm til den overvejend e del af alle lysbuesvejseprocesser, f.eks. : MIG/MAG-, TIG- o g 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 lysbuen 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. Svejselysbu e En svejselysbue kan karakteriseres som en selvstændig udladning 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 bl.a. dråbeafsmeltninger f.eks. ved MIG/MAG-svejsning), er en funktion af såvel strømmen, Ibue' gennem buelængden lbue Ubue = funktion ( lbue, lbue ) Molekyler I lysbuen sker der det, at molekyler spaltes til atomer, der består af en positiv kerne, samt et antal negative elektroner. 28

Nogle af elektronerne bliver revet fra og atomet er nu blevet 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. Positiv io n Katoden - Anode n Plasma, den fjerde tilstan d - 9000 C A 0' Ion 1 00 0H Elektron Plasmatilstand eks. H+ + 0+ + elektroner Figur 2.3 Stoffets forandring fra molekylær tilstand til plasmatilstand. ) Atomar tilstand eks. H + 0-2000 C Frigjorte atome r Molekylar tilstan d eks. H2O (is, vand, vanddamp ; Molekyle 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. 29

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 be - skytter smelten imod den atmosfæriske luft. Ved lysbuesvejsning med beklædte elektroder udvikles der beskyttelsesgas - ser af elektrodebeklædningen. Beskyttelsesgasserne kan have som formål, såvel at beskytt e det smeltede materiale og elektroden mod den atmosfæriske 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 beskyttelse af bagsiden af en svejsesøm. Kapitlet om beskyttelsesgasser omhandler beskyttelsesgasser anvendt i forbindelse med MIG/MAG og TIG-svejsning. Beskyttelsesgasser anvendt i andre processammenhænge, vil blive beskrevet i respektive afsnit, eksempelvis omhandlend e plasma- eller lasersvejsning. Beskyttelsesgassernes funktioner Ved MIG-, (Metal Inert Gas), MAG-, (Metal Aktiv Gas), og 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 o g vanddamp). Denne funktion kan umiddelbart tilgodeses ve d anvendelse af en inaktiv gas som argon eller helium, men helt så enkelt er valget ikke, når der også er procestekniske og økonomiske aspekter at tilgodese. 3. 1 Metal Inert Gas Metal Aktiv Ga s Tungsten Inert Gas 31

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,dimensione r og egenskaber iøvrigt 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 forskelli - ge 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. loni- Elektronvolt sationsenergien måles som regel i elektronvolt (ev). 1 ev svarer til 1.6021-10-19 Joule. Dissociationsenergien Dissociationsenergien for en gas er et udtryk for den energi, der skal tilføres for at omdanne et molekyle til sine atomar e bestanddele. Omdannelsen kan ske i flere dissociationstrin. Eksempelvis omdannes CO2 i første trin til CO + 02, derefter omdannes CO til C + 0 og 02 til 0 + 0. varmeledningsevnen 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 en væsentlig parameter for lysbuens form og øvrige karakteristikker. Med en fler-atomig (molekylær) beskyttelsesgas vil der i et grænselag op til lysbuen være gang i dissociationsprocessen, som kræver energitilførsel. Dissociation kan således bidrage væsentligt til varmeafledningen fra en lysbuen. 32

Gasart Kemisk Massefylde Relativ Varmeled - Ionisations- Dissociations- Reaktions - tegn (luft=1,293 ) massefyld e ningsevn e energ i energ i forhold ve d [Kg/m3] til luft [W/m K] [ev] [ev] svejsning Argon Ar 1,784 1,380 0,016 15,8 Inaktiv Helium He 0,178 0,138 0,143 24,6 - Inaktiv Kuldioxid CO2 1,977 1,529 0,015 14,4 Forskellig e reaktioner Oxiderende Oxygen 0 2 1,429 1,105 0,024 13,6 5,1 Oxiderende Nitrogen N 2 1,251 0,968 0,024 14,5 9,8 Reaktionstræg Hydrogen H 2 0,090 0,070 0,171 13,6 4,5 Reducerende Figur 3. 1 Beskyttelsesgassernes specifikke egenskaber ved 0 Cog 1 ato ( 1.01 3 bar) W/cm2 0,16 H2 CO 2--- 0,12 i He t ~ 1 ~ ~._.. --- - ~/"~ A r r/ / \ t. %, \ ~ \ \ i ~i V /~ ~ / > 0 % ~~/ I ~. I 0 2000 4000 6000 8000 10 000 C Temperatur Figur 3.2 Spidserne på kurverne for molekylære gasser illustrerer dissociationens bidrag til varmelednin g Almindeligt anvendte gasser Almindeligt anvendt som beskyttelsesgas eller som kompo - nent i en beskyttelsesgasblanding er argon (Ar), helium (He), kuldioxid (CO2), oxygen (02), nitrogen (N2) og hydrogen (H2). CO2, 02, N2 og H2 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 oxygen og nitrogen. Det er den mest anvendte beskyttelsesgas i forbindelse med MIG/MAG- og TIG-svejsning. Enten som mono-gas eller som hovedkomponent i gasblandinger (blandgasser eller kombinationsgasser). 3.2. 2 Blandgasser, kombinationsgasse r 3 3

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 a f lysbuen. Det indbærer, at en lysbue i argon vil indstille sig 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 påvirker 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. Ved 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, at der på smeltebadets overflade forefindes en passende mæng - de 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 en-atomig 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 varme - ledningsevne end argon og ionisationsenergien er tilsvarende næsten 2 gange større. Det medfører i praksis ved TIGsvejsning, 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 benyttes for at lette etableringen af TIG-lysbuen. 34

Heliums store varmeledningsevne medfører at heliumlysbuen er betydeligt indsnævret i sammenligning med en argonbue, og at svejsespændingen for samme svejsestrøm bli - ver meget højere end ved anvendelse af argon. Heliumlysbuen fremtræder derfor som en kraftigere varmekilde. Ved MIG-svejsning vil helium være tilbøjelig til at give svejse - sprøjt. Helium benyttes primært som komponent i blandgasser, fo r at afpasse energikoncentrationen i lysbuen efter jobbet og for 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. Ved svejsning anvendes den kun som komponent i blandgas - ser. Varmeledningsevnen ved stuetemperatur er større end for helium. Ved de høje temperaturer, som forekommer omkring en lysbue, får varmeledningen et betydeligt bidrag fra 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 med 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/H2 blandin g 100%Ar 50%Ar + 50% H e 13V 15V 100%H e 21V 95%Ar + 5%H2 14V 35

3.2. 5 Kuldioxi d Kuldioxid (CO2) 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 volumenforøgelse. MAG-svejsning med massiv tråd under dække af CO2 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 CO2, kan være at der dannes forholdsvis meget svejsesprøjt. Figur 3.4 Typisk indbrændingsprofil fo r MAG-svejsning med ren CO2 o g med en blanding af 82 % Ar o g 18%CO2 MAG-Indbrændingsprofi l 100%CO 2 82%Ar + 18%CO 2 36

Nitrogen 3.2.6 Nitrogen (N2) 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. Herti l kommer, at der i forbindelse med lysbuesvejsning dannes nitrøse gasser (NOx), 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 knytte t til svejsning af kobber med godstykkelse på 3-4 mm og derover. Såvel i forbindelse med MIG-svejsning som med TIG - svejsning. 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 indhold af austenit i svejsesømme i sådanne stål. Blandgasser 3.2. 7 Betegnelsen blandgasser, dækker gasblandinger med to eller flere gaskomponenter. 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 melle m 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 37

ved såvel TIG- som MIG-svejsning. Fig. 3.5 illustrerer effekten af He-tilsætning til argon. Figur 3. 5 Forskel i indbrændingsprofil ved svejsning med Ar og en Ar/H e blanding MIG Indbrændingsprofi l 100%Ar 280A/25V 50%Ar + 50%He 280A/28V 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 rør - tråde. To-komponent gasser har, for MAG-svejsning af stål, argon som hovedkomponent CO2 eller 02 som den anden. Tre-komponent gasser kan omfatte blandinger af Ar, CO2 og 02 eller af Ar, He og CO2. Fire-komponentgasser består af Ar, He, CO2 og 02 eller a f Ar, He, CO2 og H2. 3.3 Baggasse r 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 reduceres ved forbrænding. Ved svejsning af titan er dækning af bagsiden med en inakti v 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 anvendes baggasdækning. Ved svejsning af ulegerede stål er det på - krævet med beskyttelse af bagsiden, hvis glødeskal skal und - 38

gås. I almindelighed gælder det, at baggas stabiliserer bagsi - den af en rodstreng dermed giver svejseoperatøren bedr e mulighed for gennemføre et ensartet og roligt svejseforløb. En vigtig pointe ved anvendelse af baggas er at sikre at den atmosfæriske luft fortrænges helt af baggassen fra rumme t bag svejsømmen. Ved strengeste krav til bagsiden af austeni - tiske rustfrie stålrør forlanges, at restindholdet af oxygen i den beskyttende atmosfære ikke overstiger 25 ppm (25 parts pr. million = 0.0025%), når hæftning og svejsning påbegyndes. Argon kan altid anvendes som baggas. Andre muligheder e r formiergas (N2 + H2), ren nitrogen og argon med tilsætnin g af hydrogen. Der ses bort fra helium, som følge af gassens høje pris. Formiergas 3.3. 1 Normalt forstås ved formiergas en blanding af nitrogen og hydrogen med blandingsforhold 90/10. Blandingsforhold som 80/20 kan dog også forekomme, men indebærer risiko for dannelse af knaldgas ved opblanding med luft. Hydrogenandelen i gassen synes at have en reducerende virkning ved de overfladetemperaturer, der giver anledning til anløbning af bagsiden af en svejsesøm. Det vil sige, at H2 øjensynligt forbinder sig med restoxygenen i baggasdækningen. Det er en almindelig erfaring, at anvendelse af formierga s ved svejsning af austenitiske rustfrie stål giver anledning ti l lettere gennemsvejsning af rodstrengen og til bedre formning af bagvulsten end ved brug af argon som baggas. Formiergas er ikke anvendelig som baggasdækning ve d svejsning af materialer, som ikke kan forliges med hydrogen og/eller nitrogen. Eksempelvis titan, kobber, titanstabiliserede stål, rustfrie stål, hvor nitrogen påvirker ferrit-austeni t forholdet, samt hydrogenfølsomme ulegerede eller lavtlegerede stål. Nitrogen-baggas Nitrogen ses sjældent anvendt alene som baggas. Årsagen kan være, at nitrogen ikke altid leveres med tilstrækkelig lavt 3.3. 2 39

restindhold af oxygen og vanddamp. I princippet kan gassen benyttes ved svejsning af kobber og iøvrigt, hvor formierga s kan anvendes. 3.3.3 Argon/hydrogen-baggas Argon/hydrogen blandinger er mere sjældent anvendt so m baggas. Som regel kun i situationer, hvor der i forvejen anvendes argon/hydrogen blanding til svejsning. Det vil normalt være dårlig økonomi at anvende denne gasblanding. 40

Varmepåvirkning af det svejste material e 4 Ved smeltesvejsning opvarmes metallet i sagens natur o p over dets smeltepunkt. Afhængig af svejseproces, legeringssammensætning og emnets geometri opnår smeltebadet en overtemperatur, der kan nå op over 1.000 C. Det er i forbindelse med processerne gennemgået hvilken elektrisk effekt, som afgives fra svejsebrænderen. Med en effektivitetsfaktor, som afhænger af procestype (bl.a. beskyttelsesgastypen i TIG og MIG), kan en tilnærmet værdi for den afsatte effekt (heat input) i svejsefugen beregnes. Hvorlede s varmen breder sig ud i grundmaterialet beregnes efter forme l 4.1 og 4.2. Varmeudbredelse T Q -To = exp du4tr A c p t 44«Zt (4-1 ) T-T= Q exp 4a t (4-2 ) 2 7 r A t Beregninger af denne art findes i stigende grad som regneprogrammer til PC. Kort beskrevet vil det være således, at en relativ smal zon e langs svejsesømmen gennemløber en temperaturcyklus med en hurtig opvarmning til maksimaltemperatur Tmax. efter - fulgt af en langsommere afkøling. Tmax. er naturligvis aftagende med afstanden til svejsesømmen. Den zone hvor Tmax. og tiden ved den høje temperatur er tilstrækkelig til at giv e ændringer i mikrostruktur og/eller egenskaber, betegnes den varmepåvirkede zone eller HAZ (Heat Affected Zone). I den varmeste zone vil der som hovedregel altid ske en storre eller mindre vækst i kornstørrelsen. Kun i specielle legeringe r svejst med høj effektkoncentration, f.eks. elektronstråle- o g lasersvejsning, kan kornvækst helt undgås. Kornvækst er altid uønsket, fordi det forringer de mekaniske egenskaber og i visse tilfælde også korrosionsegenskaberne. Heat Affected Zone 4 1