Grunnleggende om sveiseteknikk
Sveising er sammenføyning av metaller med samme eller tilsvarende sammensetning under påvirkning av varme, med eller uten tilsetning av samme eller tilsvarende metall. Ved hjelp av sveising bindes delene uløselig sammen slik at det oppstår en enhetlig helhet. God sveising forutsetter en intim forbindelse, som bare oppnås dersom også grunnmaterialet smelter på sveiseplassen (sveisesonen).
Lysbuesveising
For stålkonstruksjoner kommer buesveising først og fremst i betraktning, hvor nødvendig varme oppnås ved en elektrisk lysbue. Lysbuen dannes mellom grunnmaterialet og den såkalte elektroden, som samtidig smelter og gir tilsatsmateriale. Riktig valg av tilsatsmateriale (elektrode) har størst innvirkning på egenskapene til den sveisede forbindelsen. Elektrodene velges etter karakteristisk styrke for grunnmaterialet som skal sveises. Valg av elektroder og fastsettelse av sveisebetingelser forutsetter fagkunnskap, og derfor er det opprettet en institusjon av særlig utdannede «ingeniører, spesialister i sveiseteknikk», hvis oppgave blant annet er å føre tilsyn med sveisearbeidene og jevnlig fornye sertifiseringen av sveisere.
Gassveising og skjæring
Ved gassveising produseres den nødvendige varmen ved forbrenning av gass, slik at grunn- og tilleggsmaterialet smelter. Viktigere er skjæring. Skjærebrenneren har, i tillegg til varmebrenneren som fungerer som ved sveising, også en skjæredyse for oksygen. Stål som er oppvarmet av den varme flammen, brennes gjennom og blåses bort av oksygenstrømmen. Skjæring gir glatte og presise overflater som er tilstrekkelige for mange formål innen stålkonstruksjoner uten videre bearbeiding.
Sveisbarhet
Ved vurdering av sveisede skjøter må man ta hensyn til at sammensetningen av tilsatsmaterialet, så vel som grunnmaterialet, kan endres betydelig under sveiseprosessen. Også endringen i struktur har stor betydning – mellom den smeltede sveisen og det uendrede grunnmaterialet finnes, avhengig av graden av varmepåvirkning, en sone med ulik struktur og dermed ulike egenskaper. Ved siden av sveisen ligger området der grunnmaterialet smeltet (sammensmeltingssone) og der forbindelsen mellom sveisefeltet og grunnmaterialet skjer. Den omkringliggende materialsonen varmes også sterkt opp, selv om smeltepunktet ikke lenger nås der. I denne overopphetede sonen oppstår store strukturendringer, slik at den ofte er avgjørende for egenskapene til hele den sveisede skjøten.
Med sprekkdannelse i sveisefugen menes at det oppstår sprekker i fugen, som dannes umiddelbart etter sveisingen, mens temperaturen fortsatt er høy, eller kanskje først under avkjøling i området for blåglødning (ved omtrent 300 °C). Sprekkdannelse er i stor grad en egenskap ved elektrodene; den forekommer nesten bare ved overtrukne elektroder, som nettopp er viktige for stålkonstruksjoner. For at sprekker skal oppstå, må to betingelser være oppfylt, nemlig høye spenninger som følge av sveiseprosessen eller andre ytre påvirkninger, samt økt stivhet i materialet.
Foruten metallurgiske endringer i materialets sammensetning og struktur er også fysiske prosesser viktige, og disse henger sammen med de store varmemengdene som ved sveising tilføres materialet og de høye temperaturene som da oppnås. Oppvarmingen skjer ikke jevnt, men bare i snevert avgrensede områder. Den varmeutvidelsen som er knyttet til oppvarmingen, hindres av det uoppvarmede materialets indre spenninger i den oppvarmede sonen. I tillegg kommer ytre spenninger, fordi delene ved sveising må klemmes fast, og derfor oppstår plastiske sammentrykninger under oppvarming. Ved avkjøling trekker sveisen og området rundt den seg sterkest sammen (sammentrekning). Under avkjøling må det på grunn av hindret utvidelse oppstå tvangsspenninger (sammentrekningsspenninger). Ved forvarming av delene som skal sveises til 200 oC til 300 oC kan avkjølingen bremses betydelig. På grunn av redusert herdevirkning oppnås en bedre strukturutvikling, og herdingen blir mindre.
Prøving av materialer og sveisearbeider
Generelt: Siden kvaliteten på sveisearbeid avhenger av en rekke forhold, og ikke minst av fagarbeiderens dyktighet og pålitelighet, er det nødvendig med nøyaktig kontroll og prøving av alt sveisearbeid. Blant prøvingene nevnes de som gjelder fastsettelse av sveisbarheten til materialer og elektroder, sammenligning av sveisevilkår og sveiseprosesser for et gitt tilfelle, prøving av prøvestykker osv.
Fig. 1 - Bøyeprøve av sveisefugen
Bøyeprøve av sveisefugen: Dette er en bøyeprøve av en enkel bjelke med rektangulært tverrsnitt (fig. 1), der en langsgående rille i strekkfiberen, utformet som en halvsirkel, sveises på nytt med ett lag, og det ved romtemperatur. Sveisen medfører en sterk reduksjon i deformerbarheten, slik at prøvene ofte bryter helt sprøtt og brått. Bøyevinkelen er større for tynne plater; den avtar med platetykkelsen.
Notseighet: Ved bøyeprøven av sveisen oppstår det for det meste sprekker først i sveisen, slik at det oppstår sprøbrudd. Grunnmaterialet må være i stand til å ta opp den belastningen som brått oppstår ved sprø oppsprekking av sveisen. Det bør kreves at sprekken i sveisområdet ikke sprer seg raskt inn i grunnmaterialet, men at sprekken bare får utvikle seg langsomt. Grunnmaterialet må være tilstrekkelig seigt til å ta opp denne plutselige belastningen, og denne egenskapen må i tilstrekkelig grad også bevares ved lave temperaturer. Notseighet, så vel som andre mekaniske egenskaper, avhenger i stor grad av temperaturen prøven utføres ved. Ved lave temperaturer, f.eks. under 0 °C, kan den synke til en brøkdel av verdien ved 20 °C. Plasseringen av dette brå fallet er viktig for vurderingen av et materiale. For sveisede stålkonstruksjoner kreves det i dag et materiale med god aldringsbestandighet, dvs. høy hakkfasthet ved slagprøving på kaldt strekte prøver.
Fig. 2 - Deformasjon ved spenningsforhold i hakk
Hardhet: Fenomener knyttet til hardhet i sveisområdet har stor betydning. Det er viktig å kjenne til økningen i hardhet, fordi forlengelsen ved brudd avtar raskt når hardheten øker (fig. 3), mens strekkfastheten σB øker nesten proporsjonalt med Brinell-hardheten HB. For konstruksjonsstål er omtrent σB = 0,36*HB. Et eksempel på hardheten i den viktigste kilsveisen på en I-bjelke er vist i fig. 4. I overgangssonen finnes det på svært små avstander store forskjeller i hardhet. Hardhetsforløpet avhenger av den dannede strukturen. σ-ε-linjen endrer seg på lignende måte med hardhet som ved spenningsforholdet i et hakk (fig. 2).
Fig. 3 - Brinells hardhet og forlengelse
Fig. 4 - Hardheter i sveisefugen i livet på en sveiset I-bjelke
Ikke-destruktiv prøving av ferdige sveisede skjøter
Gjennomlysning – Ved gjennomlysning av små tykkelser kan røntgenbildet gjøres synlig på en skjerm. I stedet for røntgenstråler kan gammastråler fra radioaktive materialer brukes. Røntgenbildet gjør det mulig å slutte noe om kvaliteten på sveisen. Inneslutninger av slagg eller porer, samt bindingfeil og sprekker, kan dermed påvises og eventuelt fjernes.
Magnetisk strømningsmetode – Det fremkalles et magnetfelt i den delen av stålet som undersøkes, og da legger de påførte sponpartiklene seg etter feltet. Eventuelle uregelmessigheter i magnetfeltet kan avsløre sprekker. Metoden er særlig effektiv for å finne overflatesprekker, men er relativt lite følsom for slagginneslutninger og porer, samt for sprekker som ligger inne i tykkere plater.
Ultralydprøving – ultrakorte lydbølger reflekteres ikke bare på grenseflatene, men også på skilleflatene inne i materialet, som for eksempel ved sprekker eller lagdelinger.