Grundläggande principer för svetsning

En svets kan definieras som en sammansmältning av metaller framställda genom upphettning till en lämplig temperatur med eller utan applicering av tryck, och med eller utan användning av ett tillsatsmaterial.

Vid smältsvetsning genererar en värmekälla tillräckligt med värme för att skapa och underhålla en smält pöl av metall av den erforderliga storleken. Värmen kan tillföras med el eller en gaslåga. Elektrisk motståndssvetsning kan betraktas som smältsvetsning eftersom en del smält metall bildas.

---

Fastfasprocesser producerar svetsar utan att smälta basmaterialet och utan tillsats av en tillsatsmetall. Tryck används alltid och i allmänhet tillhandahålls viss värme. Friktionsvärme utvecklas vid ultraljuds- och friktionsfogning, och ugnsvärmning används vanligtvis vid diffusionsbindning.

Den elektriska ljusbågen som används vid svetsning är en lågspänningsurladdning med hög ström, vanligtvis i intervallet 10–2 000 ampere vid 10–50 volt. En bågkolonn är komplex men består i stort sett av en katod som avger elektroner, ett gasplasma för strömledning och ett anodområde som blir jämförelsevis varmare än katoden på grund av elektronbombardement. En likströmsbåge (DC) används vanligtvis, men växelströmsbågar (AC) kan användas.

Den totala energitillförseln i alla svetsprocesser överstiger vad som krävs för att producera en fog, eftersom all värme som genereras inte kan utnyttjas effektivt. Verkningsgraden varierar från 60 till 90 procent, beroende på processen; vissa speciella processer avviker kraftigt från denna siffra. Värme går förlorad genom ledning genom basmetallen och genom strålning till omgivningen.

De flesta metaller, när de värms upp, reagerar med atmosfären eller andra närliggande metaller. Dessa reaktioner kan vara extremt skadliga för egenskaperna hos en svetsfog. De flesta metaller, till exempel, oxiderar snabbt när de smälts. Ett lager av oxid kan förhindra korrekt bindning av metallen. Smälta metalldroppar belagda med oxid fastnar i svetsen och gör fogen spröd. Vissa värdefulla material som tillförs för specifika egenskaper reagerar så snabbt vid exponering för luften att den avsatta metallen inte har samma sammansättning som den hade från början. Dessa problem har lett till användningen av flussmedel och inerta atmosfärer.

Vid smältsvetsning har flussmedlet en skyddande roll för att underlätta en kontrollerad reaktion av metallen och sedan förhindra oxidation genom att bilda en filt över det smälta materialet. Fluxer kan vara aktiva och hjälpa till i processen eller inaktiva och helt enkelt skydda ytorna under fogning.

Inerta atmosfärer spelar en skyddande roll som liknar den för flussmedel. Vid gasskärmad metallbågsvetsning och gasskärmad volframbågsvetsning strömmar en inert gas - vanligtvis argon - från en ring som omger brännaren i en kontinuerlig ström och förskjuter luften runt bågen. Gasen reagerar inte kemiskt med metallen utan skyddar den helt enkelt från kontakt med luftens syre.

Metallurgin av metallfogning är viktig för fogens funktionella kapacitet. Bågsvetsen illustrerar alla grundläggande egenskaper hos en fog. Tre zoner resulterar från passagen av en svetsbåge: (1) svetsmetallen eller smältzonen, (2) den värmepåverkade zonen och (3) den opåverkade zonen. Svetsmetallen är den del av fogen som har smält under svetsning. Den värmepåverkade zonen är ett område som gränsar till svetsmetallen som inte har svetsats men som har genomgått en förändring i mikrostruktur eller mekaniska egenskaper på grund av svetsvärmen. Det opåverkade materialet är det som inte värmts upp tillräckligt för att ändra dess egenskaper.

Svetsmetallsammansättning och de förhållanden under vilka den fryser (stelnar) påverkar avsevärt fogens förmåga att uppfylla servicekraven. Vid bågsvetsning består svetsmetallen av tillsatsmaterial plus basmetallen som har smält. Efter att bågen har passerat sker snabb kylning av svetsmetallen. En engångssvets har en gjuten struktur med pelarformiga korn som sträcker sig från kanten av den smälta poolen till mitten av svetsen. I en flergångssvets kan denna gjutna struktur modifieras, beroende på den speciella metall som svetsas.

Basmetallen intill svetsen, eller den värmepåverkade zonen, utsätts för ett antal temperaturcykler, och dess förändring i struktur är direkt relaterad till topptemperaturen vid varje given punkt, exponeringstidpunkten och kylningshastigheterna. Typerna av oädel metall är för många för att diskutera här, men de kan grupperas i tre klasser: (1) material opåverkade av svetsvärme, (2) material härdade av strukturella förändringar, (3) material härdade av utfällningsprocesser.

Svetsning ger spänningar i material. Dessa krafter induceras av sammandragning av svetsmetallen och av expansion och sedan sammandragning av den värmepåverkade zonen. Den ouppvärmda metallen sätter en begränsning på ovanstående, och eftersom kontraktion dominerar kan svetsmetallen inte dra ihop sig fritt, och en spänning byggs upp i fogen. Detta är allmänt känt som restspänning, och för vissa kritiska tillämpningar måste det avlägsnas genom värmebehandling av hela tillverkningen. Kvarvarande spänning är oundviklig i alla svetsade strukturer, och om den inte kontrolleras kommer böjning eller förvrängning av svetsen att ske. Kontroll utövas genom svetsteknik, jiggar och fixturer, tillverkningsprocedurer och slutlig värmebehandling.