Grundläggande svetsningsteknik
Svetsning är sammanfogning av metaller med samma eller likartad sammansättning under inverkan av värme, med eller utan tillsats av samma eller likartad metall. Genom svetsning binds delarna oskiljaktigt till varandra så att en enhetlig helhet uppstår. God svetsning förutsätter en intim förbindelse, som endast uppnås om även grundmaterialet smälter på svetsstället (smältzon).
Elektrisk bågsvetsning
För stålkonstruktioner kommer i första hand bågsvetsning i fråga, där den erforderliga värmen erhålls med en elektrisk ljusbåge. Ljusbågen bildas mellan grundmaterialet och den så kallade elektroden, som därvid smälter och ger tillsatsmaterial. Ett korrekt val av tillsatsmaterialet (elektroden) har den största inverkan på egenskaperna hos den svetsade förbandet. Elektroder väljs efter karakteristiska hållfastheter hos det grundmaterial som ska svetsas. Val av elektroder och fastställande av svetsvillkor förutsätter fackkunskap, och därför har institutionen för särskilt utbildade ”ingenjörer specialiserade på svetsteknik” skapats; deras uppgift är bland annat att övervaka svetsarbetena och att återkommande upprepa svetsarnas certifieringar.
Gassvetsning och gasskärning
Vid gassvetsning alstras den erforderliga värmen genom gasförbränning, så att grund- och tillsatsmaterialet smälter. Viktigare är skärning. Skärbrännaren har, förutom värmeröret som fungerar på samma sätt som vid svetsning, även ett skärmunstycke för syre. Det av den varma flamman uppvärmda stålet genombränns och blåsas igenom av en syreström. Skärning ger släta och precisa ytor som utan vidare bearbetning är tillräckliga för många ändamål inom stålkonstruktioner.
Svetsbarhet
Vid bedömning av svetsfogar måste man beakta att sammansättningen av tillsatsmaterialet liksom av grundmaterialet kan förändras avsevärt under svetsprocessen. Stor betydelse har också strukturförändringen – mellan den smälta svetsen och det oförändrade grundmaterialet finns, beroende på värmepåverkanens grad, en zon med olika struktur och därmed olika egenskaper. Intill svetsen finns området där grundmaterialet har smält (smältzonen) och där förbindelsen mellan svetszonen och grundmaterialet sker. Den omgivande materialzonen är också fortfarande starkt uppvärmd, även om smältpunkten där inte längre har nåtts. I denna överhettningszon uppträder stora strukturförändringar, så att den ofta är avgörande för egenskaperna hos hela svetsförbandet.
Sprickbildning i svetsen innebär att sprickor uppträder i svetsen, vilka uppstår omedelbart efter svetsning, medan temperaturen fortfarande är hög, eller kanske först vid avkylning i området för blåglödning (vid cirka 300oC). Sprickbildning är i hög grad en elektrodegenskap; den förekommer nästan endast hos belagda elektroder, vilka just är viktiga för stålkonstruktioner. För att sprickor ska uppstå krävs att två villkor är uppfyllda, nämligen höga spänningar till följd av svetsprocessen eller andra yttre orsaker, samt en ökning av materialets styvhet.
Förutom metallurgiska förändringar i materialets sammansättning och struktur är även fysikaliska processer viktiga, sådana som har samband med de stora mängder värme som tillförs materialet vid svetsning och de därvid uppnådda höga temperaturerna. Uppvärmningen sker inte jämnt, utan endast inom snävt begränsade områden. Den värmeutvidgning som följer med uppvärmningen hindras av att den uppvärmda zonen hålls tillbaka av det ouppvärmda materialet. Därtill kommer yttre belastning, eftersom delarna vid svetsning måste spännas fast ordentligt, vilket gör att plastiska hoptryckningar uppstår vid uppvärmningen. Vid avkylning drar svetsen och dess omgivning ihop sig mest (sammandragning). Vid avkylning måste därför tvångsspänningar uppstå på grund av den hindrade utvidgningen (spänningar från sammandragning). Genom förvärmning av delar som skall svetsas till 200 oC till 300 oC kan avkylningen avsevärt fördröjas. Genom att minska härdningseffekten erhålls en bättre strukturutveckling, härdningen blir mindre.
Provning av material och svetsarbeten
Allmänt: Eftersom kvaliteten på svetsarbeten beror på en rad omständigheter, och inte minst på fackmannens skicklighet och pålitlighet, krävs noggrann övervakning och provning av allt svetsarbete. Bland provningarna nämns sådana för att fastställa svetsbarheten hos material och elektroder, jämförelse av svetsvillkor och svetsmetoder för ett givet fall, provning av prover osv.
Fig. 1 - Provning av svetsfog i böjning
Böjprov av en svetsfog: Det är ett böjprov av en enkel balk med rektangulärt tvärsnitt (fig. 1), på vilken ett halvcirkelformat bearbetat längsgående spår i det dragna fibret åter har svetsats med ett lager, och detta vid rumstemperatur. Svetsen medför en kraftig minskning av formbarheten, så att proven ofta brister helt sprött och plötsligt. Böjningsvinkeln är större för tunna plåtar; den minskar med plåtens tjocklek.
Sprickseghet vid skåra: Vid böjprov av svetsfogen uppstår sprickor i de flesta fall först i fogen, så att ett sprött brott inträffar. Grundmaterialet måste kunna ta upp den belastning som plötsligt uppstår vid den spröda sprickbildningen i fogen. Det bör krävas att sprickan i svetszonen inte sprider sig snabbt genom grundmaterialet, utan att sprickan endast får fortskrida långsamt. Grundmaterialet måste vara tillräckligt segt för att ta upp denna plötsliga belastning, och denna förmåga måste i tillräcklig grad bestå även vid låga temperaturer. Sprickseghet vid skåra, liksom andra mekaniska egenskaper, beror i hög grad på den temperatur vid vilken provet utförs. Vid låga temperaturer, t.ex. under 0 °C, kan den sjunka till en del av värdet vid 20 °C. Läget för detta plötsliga fall är viktigt för bedömningen av ett material. För svetsade stålkonstruktioner krävs i dag ett material med god åldringsbeständighet, dvs. hög slaghållfasthet med skåra vid kylda dragprov.
Fig. 2 - Deformation vid spänningslägen med skåror
Hårdhet: Förekomsten av hårdhet i svetszonen är av stor betydelse. Det är viktigt att känna till hårdhetsökningen, eftersom töjningen vid brott snabbt minskar med ökande hårdhet (fig. 3), medan draghållfastheten σB stiger nästan proportionellt mot Brinellhårdheten HB. För byggstål gäller ungefär σB = 0,36*HB. Ett exempel på hårdheten hos den huvudsakliga kälfogen på en I-balk visas i fig. 4. I övergångszonen finns stora skillnader i hårdhet på mycket små avstånd. Hårdhetsförloppet beror på den bildade strukturen. σ-ε-linjen förändras på liknande sätt med hårdheten som med spänningsläget vid ett hack (fig. 2).
Fig. 3 - Brinells hårdhet och töjning
Fig. 4 - Hårdhet i svetszonen vid halsen på en svetsad I-balk
Icke-förstörande provning av färdiga svetsfogarar
Genomlysning – Vid genomlysning av små tjocklekar kan röntgenbilden göras synlig på en skärm. I stället för röntgenstrålar kan gammastrålar från radioaktiva material användas. Röntgenbilden gör det möjligt att dra slutsatser om fogens kvalitet. Inneslutna slagginneslutningar eller porer, liksom bindfel och sprickor, kan på så sätt konstateras och vid behov avlägsnas.
Magnetisk indikering – Ett magnetfält alstras i den del av stålet som undersöks och de pålagda spånen ordnas då efter fältet. Eventuella oregelbundenheter i magnetfältet kan avslöja sprickor. Metoden är särskilt effektiv för att påvisa ytsprickor, men är relativt okänslig för slagginneslutningar och porer, liksom för sprickor inne i tjockare plåtar.
Ultraljudsprovning – Ultrakorta ljudvågor reflekteras inte bara vid gränsytor, utan också vid skiljeytor inne i materialet, såsom t.ex. vid sprickor eller dubbleringar.