Sveising

Elektrisk lysbuesveising

Sveising er en prosess for å sammenføye materialer ved sammensmelting. Termoplaster og metaller er eksempel på materialer som kan sveises. Sveisingen skjer ved at kontaktflatene på arbeidsstykkene, ofte sammen med et fyllmateriale (sveisetråd eller sveiseelektrode) varmes opp til de smelter, og flyter sammen ved kohesjon.

Oppvarmingen kan skje ved forbrenning, elektrisk strøm, laserlys, elektronstråling, friksjon eller ultralyd. Når sveisefugen avkjøles dannes det en fast varig forbindelse. Ofte kan det være nødvendig med et dekkmateriale, for eksempel en inertgass for å hindre at smelten forbrenner med oksygen i luften. For høyfast sveising kreves også spesielle herdeprosesser ved avkjølingen av sveisen for å få rett seighet og unngå spenninger som vil føre til sprekkdannelser og brudd.

Sveising er forskjellig fra lodding og hardlodding. Ved disse sammenføyningsmetodene er det bare fyllmaterialet, for eksempel loddetinn, som smelter og forbinder arbeidsstykkene ved adhesjon. Arbeidsstykkene har høyere smeltetemperatur og smelter ikke sammen.

Sveising er en hyppig årsak til yrkesskader og brann og krever spesielle beskyttelses- og sikringstiltak.

Sveisebås er et rom som har alt av verktøy og ting man trenger når man skal sveise. Det er et rom man står i for å også beskytte andre medarbeidere på verkstedet.

Historikk

Smisveising har vært kjent tilbake til tidlig bruk av metall i bronsealderen. Metoden ble særlig utbredt fra middelalderen og foregår ved at smeden varmer abeidsstykkene til de gløder i en esse og deretter hamrer dem sammen med en slegge. Dette var den eneste kjente sveisemetoden fram til slutten av 1800-tallet. Da kom gassveising og noe senere elektrisk motstandssveising. Spesielt under første og andre verdenskrig ble sveisemetodene betydelig forbedret, og under andre verdenskrig var man kommet så langt at selv store skipskonstruksjoner kunne helsveises istedenfor å klinkbygges, noe som sparte betydelig tid. Et eksempel er libertyskipene. I dag er automatisk robotisert elektrisk punktsveising og lysbuesveising vanlig ved serieproduksjon av metallprodukter, for eksempel bilproduksjon.

Sveisemetoder

En rekke forskjellige sveisemetoder er i bruk og velges avhengig av utstyr, kostnad, materialtyper og seriestørrelse.

Smisveising

Smisveising brukes normalt for håndverksmessig bearbeiding av stål og foregår ved at arbeidsstykkene varmes opp til de er hvitglødende i en esse. De legges deretter sammen og hamres sammen med en slegge. Sammensmeltingen foregår derfor ved en kombinasjon av trykk og temperatur. Metoden er vanlig ved smijernsarbeider. Ved framstilling av finere kniver og sverd legges lag av hardere (høyere innhold av karbon) og mykere stål sammen og smisveises. Eggemnet brettes og smis ut flere ganger slik at emnet tilslutt består av flere titalls tynne sammensveisede lag av vekselvis mykt og hardt stål som gir kniven eller sverdet rett kombinasjon av styrke, fleksibilitet og skarphet. Når overflaten behandles med syre oppstår et karakteristisk bølgemønster og slike stål kalles figursmidd (engelsk pattern welded) eller «damascert» stål. Men dette skal ikke forveksles med egentlig Damaskusstål i de berømte damaskussverdene som ble laget med en annen prosess.

Lysbuesveising

Utdypende artikkel: Buesveising

Elektrisk lysbuesveising krever et elektrisk sveiseaggregat som gir en høy kontrollert elektrisk strøm til sveiseelektroden. Ved spissen av elektroden vil strømmen møte en elektrisk motstand mot arbeidsstykket, og det utvikles varme som smelter arbeidsstykkene og elektroden mot sveisefugen. Sveiseregulatoren er konstruert slik at en får en relativ høy tennspenning for lysbuen (for eksempel 60 volt) og deretter en strømbegrensing som typisk kan innstilles i området 30 til 200 ampere avhengig av elektrodetype og dimensjon. Det kan brukes likestrøm eller vekselstrøm. Elektroden kan være faste staver, sveiseelektroder som brukes opp og skiftes, eller sveisetråd som mates fra en oppkveilet rull. Sveiseelektroden er samme metall som skal sveises og er tilsatt silisium og mangan som hindrer oksidasjon og poredannelse. Ved likestrømssveising vil den siden som har positiv polaritet ha sterkest varmeutvikling. Ved negativ elektrode blir derfor varmeutviklingen i arbeidsstykket størst og innsmeltingen og dermed dybden av sveisefugen større.

• Pinnesveising eller dekket elektrode-sveising (SMAW – shielded metal arc welding) kalles ofte vanlig manuell lysbuesveising og foregår med faste utskiftbare elektrodestaver dekket av fluss. I noen tilfelle forekommer eletrode på rull med flusskjerne. Flusset er en blanding av karbonater og oksider som fordamper når lysbuen smelter eletroden. Den dekker derfor delvis sveisesmelten mot forbrenning i oksygen fra lufta og legger seg som slagg på toppen av sveisefugen. Dette må hamres eller slipes bort når sveisen har kjølnet og krever mye etterarbeid. Det brukes både likestrøm og vekselstrøm. Metoden var lenge den mest vanlige ved elektrisk sveising og bruker relativt enkelt utstyr som egner seg best for stål med dimensjoner over noen mm godstykkelse.
• MIG-sveising (engelsk metal inert gas) nå offisielt kalt GMAW (engelsk Gas Metal Arc Welding) er nå den mest vanlige industrielle og kommersielle sveisemetoden. Det er vanlig å bruke elektrode på rull med automatisk matning gjennom en sveisepistol. Sveisepistolen inneholder betjening for eletrodematning og et kontaktrør som overfører sveisestrømmen til elektroden. Elektroden har et tynt kobberbelegg for å redusere kontaktrørmotstanden, hindre korrosjon og unngå oppvarming og fastbrenning i sveisepistolen. Elektrodemateriale, tykkelse og sveisehastighet gir basisverdier for strøm og matehastighet, men avanserte aggregater kan justere dette automatisk. For å hindre at gasser i lufta reagerer med sveisesmelten brukes dekkgass fra gassflaske som tilføres sveisepistolen og fordeles over sveisesmelten. Oftest brukes argon med tilsetning av noe karbondioksid (CO₂) og oksygen for å få stabil smelting. For vanlig stål kan karbondioksid (CO₂) brukes, dette er rimeligere og gir dypere smeltefuge, men også noe mere sprut. Metoden er egnet for både jern og andre metaller og er relativt rask.
• TIG-sveising (engelsk tungsten inert gas) i Europa, nå offisielt kalt GTAW i USA (engelsk gas tungsten arc welding), brukes for høy kvalitet og presisjon. Det brukes en wolframelektrode som ikke smelter og gir en stabil lysbue med ren sveis uten tilsatsmidler. Det finnes ulike wolframlegeringer som gir ulike egenskaper (varmebestandighet/strømføringsevne). De vanligste blandingsmetallene er thorium, lantan og cerium som utgjør 0,5–2 % av legeringen. Elektroden har svært høy smeltetemperatur (3400+ grader) og fungerer derfor ikke som fyllmiddel. Dette må tilsettes manuelt gjennom å dyppe/mate inn en tynn metalltråd (av riktig legering) i smeltebadet. For TIG brukes oftest ikke-reaktive dekkgasser som argon, helium eller en blanding av disse. Helium krever høyere spenning (Volt) enn argon ved samme strømstyrke (Ampere) for å gå over i plasmaform. Helium gir derfor høyere temperatur i smeltebadet enn ren argon. Helium har også bedre termisk ledningsevne enn argon, og gir derfor også en bredere varmeaffisert sone (kalles også HAZ, engelsk for Heat Affected Zone) enn ren argon. Ettersom helium krever høyere spenning for å løsrive elektroner enn argon, er det vanskeligere å starte lysbuen med ren helium enn argon. Helium brukes derfor sjelden som ren dekkgass, men ofte som en tilleggsgass normalt i blandingsforhold 25–70 % av gassblandingen. Ettersom elektroden ikke smelter ved GTAW-sveising, blir sveisepistolen mye varmere enn en MIG-pistol der sveisetråden hele tiden erstattes av ny tråd. Ved høye strømstyrker er derfor vannkjøling av sveisepistolen nødvendig. Metoden krever erfarne sveisere og er relativt langsom. Kan brukes til alle metaller men er mest vanlig til rustfritt stål og lettmetaller som aluminium og titan og presisjonssveising på fly, lette sykler og militært utstyr.
• Både MIG- og TIG-sveising brukte opprinnelig kun såkalte ikke-reaktive (inerte) dekkgasser som argon og helium. Ulike metallegeringer og ulike krav til spenninger og sprekkfasthet har ført til bruk av andre gasser eller blandingsgasser for å oppnå ønsket effekt. Eksempelvis brukes oksygen, hydrogen, karbondioksid også i dekkgassblandinger til ulike formål. Disse gassene er reaktive (reagerer kjemisk med andre gasser og materialer) og faller derfor utenfor «Inert Gas»-definisjonen. Også nitrogen, som normalt ikke reagerer med andre elementer, blir reaktiv under de høye temperaturene som oppstår i sveisebuen. Denne gassen brukes også i mange gassblandinger i dag. TIG og MIG er derfor offisielt erstattet av de mer beskrivende begrepene GMAW og GTAW. Imidlertid er begrepene så innarbeidet at MIG/GMAW og TIG/GTAW i realiteten brukes om hverandre.
• Plasmasveising har mye til felles med TIG, men bruker en gass i plasmatilstand. Dette gir svært stabil lysbue, men krever ytterligere erfaring og presisjon og er best egnet for automatisk mekanisk presisjonssveising. Den tillater høyere hastighet, dypere fuge og større frihet i materialer.
• SAW (engelsk for submerged arc welding) brukes for høye sveisehastigheter der lysbuen brenner under et lag fluksmateriale. Fluksmaterialet er ofte slik sammensatt at det sprekker og skaller av ved størkning og krever lite etterarbeid. Dette gir høy produktivitet og brukes spesielt ved automatisk sveising på grove arbeidsstykker som kjeler og tanker og rør.

Gassveising

Sveising av stål med acetylen og oksygen

Den vanligste metoden for gassveising foregår med en brenner som kombinerer acetylen og oksygen, sveisegass, og kalles forenklet acetylensveising. Det har lenge vært en populær sveisemetode, men er mindre egnet for industriell serieproduksjon. Den brukes håndverksmessig for sveising av rør, og mindre reparasjonsarbeider og krever mindre presisjon ved sveising av tynt gods enn lysbuesveising. Utstyret består av gassflasker med trykkregulator og en sveisebrenner som blander gassene og vedlikeholder sveiseflammen. Temperaturen når omkring 3100 °C og det brukes fyllmateriale i form av en separat sveisetråd. Gassveising varmer et større område av arbeidsstykket og kan gi større deformasjoner og restspenninger i arbeidsstykkene.

Andre gasskombinasjoner er acetylen-luft og hydrogen-oksygen. Gassveising brukes også ved sveising av termoplast men da med vanlig oppvarmet luft ved noen få hundre grader.

MAG (engelsk for metal active gas welding) er aktiv gassbuesveising med smeltende elektrode. Tallbenevningen ifølge NS-EN-ISO 4063 er 135. Forskjellen fra MIG er gassen som her er aktiv (eksempelvis CO₂ eller blandingsgasser av argon, karbondioksid, hydrogen, oksygen og videre). Det brukes hovedsakelig på karbonstål, krever pulsutstyr for stillingssveising. Blir lite brukt i offshoreindustrien. Det har også blitt brukt i en del hurtig matende prosesser som går under navn som «Rapid Arc» og «Time prosessen» og disse gir avsett tilsvarende pulverbuesveising, størst ved horisontalsveising.

Punktsveising

Utstyr for punktsveising

Punktsveising, også kalt motstandssveising, brukes normalt ved sammenfesting av tynne plater eller ståltråd. Kontaktelektroder klemmer mot hver side av platene som sveises. Det brukes svært høy strøm, typisk 1000 – 100 000 ampere i korte pulser som smelter arbeidsstykket i kontaktpunktet. Metoden er effektiv og gir liten grad av deformasjon og forurensing, men er begrenset til overlappende plater og tråd opp til 3 mm tykkelse der man har tilgang til begge sider. Metoden er mye brukt for platekonstruksjoner som bilkarosserier og kabinetter og er velegenet for automatisk produksjon med roboter.

En variant er sømsveising som bruker rullende elektroder istedenfor punkteletroder og gir en kontinuerlig sveiseskjøt.

Strålesveising

Strålesveising bruker laserstråler eller elektronstråler. Forskjellen er i energitilførselen som kommer fra en laser eller fra elektroner som akselereres i et elektrisk felt i vakuum. Metoden har høy utstyrskostnad, men begge gir en konsentrert stråle som kan gi en smal og tilstrekkelig dyp sveisefuge med meget høy hastighet. Metoden krever en automatisert produksjon og brukes derfor for store serier i høy hastighet.

Andre sveisemetoder

• Sveising med ultralyd tilfører arbeidsstykket lydenergi over 20 kHz. Arbeidstykkene som er presset sammen vil smelte sammen. Metoden brukes for elektriske kontaktpunkter mellom aluminium og kobber og er meget vanlig for plaster.
• Trykksveising skjer ved at materialene presses sammen i kontaktpunktet med høyt trykk. Energien får materialet til å flyte sammen, og brukes for eksempel for å sammenføye ulike metaller som stål og aluminium.
• Termittsveising bruker en blanding av jernoksid og aluminium som antennes. Blandingen produserer rent jern og aluminiumoksid og meget kraftig varme. Det har for eksempel vært brukt for sveising av jernbaneskinner ved at det flytende jernet renner i en form mellom skinneendene som smelter sammen.
• Plastsveising eller sveising av termoplast er «å føye sammen termoplaster ved å smelte kontaktflatene sammen, med eller uten bruk av tilsatsmateriale eller sveisetråd». Sveising for semi-finished materialer av plast er beskrevet i ISO 472 som en prosess for å skjøte overflater som har blitt oppmyket, ofte ved hjelp av varme (unntatt ved kjemisk sveising). Sveising av termoplast utføres i tre steg: tilbereding av overflater; tilførsel av varme og trykk; nedkjøling.^{[trenger referanse]}

Sveiseforberedelser og dokumentasjon

Før en starter å sveise, kreves det i flere bransjer at viktige prosesser gjennomgås; at arbeidsstykker er korrekt dokumentert (for eventuelt å bli etterprøvet), er et annet krav.

Sveiseprosedyrer

En starter med en plan (pWPS) for hvordan en sveis skal utføres. Dette inneholder all informasjon om sveisen.

En sveiser så opp en prøvesveis i kontrollerte omgivelser. En beskriver (i en WPS - engelsk for welding procedure specification) det en har gjort i detalj, som hvilke ståltyper som skal sveises sammen, hvilke elektroder som skal brukes, hvor mye forvarme og ettervarme som skal brukes, hva slag sveisemetode som skal brukes, sliping og så videre. Denne tester en så med ikke destruktive tester som ultralyd eller radiografi for innvendige sveisefeil og magnetpulver eller penetrant for overflatesprekker. En tar ut prøvestykker og tester flytespenning, bruddspenning, tøyning ved brudd og hardheten i sveisen. En tar også ut tester for å teste skårseighet (Charpy-test) eller seighet ved sprekkvekst (CTOD-test) ved behov. Dersom en feiler med å tilfredsstille kravene ved en test, kan en ofte tillate seg å ta en test til på samme måte, men om den også feiler vil en normalt måtte lage en annen måte å sveise på som gir bedre resultater. Dokumentasjonen samles (i WPQR - engelsk for welding procedure qualification record) og kan så brukes som grunnlag i produksjonen av like og tilsvarende tester. En kan typisk bruke sveiseprosedyren for inntil dobbelt så stor eller halvparten så liten tykkelse som det testen er utført med. Det vil også være begrensninger i formen på de to stålkonstruksjonene som skal sveises sammen.

Sveisesertifikater

Den som sveiser må ha et sertifikat. Sertifikatene har forskjellig vanskelighetsgrad som forteller hva slags sveiser en er kvalifisert for. Av de vanskeligste er å sveise, er hvor en har hele sveisen over seg. I tillegg er det ulike vanskelighetsgrader, avhengig av utformingen på sveisen og tykkelsen på materialene en skal sveise. Aluminiumssveising regnes som vanskeligere enn å sveise i stål. Etter at en har gjort sveisingen skal sveisene kontrolleres. Sertifikatene utstedes oftest av den bedriften en arbeider i, men blir ofte bevitnet av en uavhengig part. I Norge er det vanlig at den enkelte sveiser eier sertifikatene, men en del bedrifter anser sertifikatene som deres eiendom siden de bekoster testingen. Når sertifikatene er bedriftens eiendom, forebygger en forfalskninger av sertifikater.

Operatører av sveisemaskiner trenger normalt ikke sveisesertifikat, men skal likevel ha dokumentert opplæring i bruken av sveisemaskinen.

Ikke destruktiv testing

På samme måter som sveiseren, skal også den som gjør ikke-destruktiv testing ha sertifikater. Det blir utstedt sertifikater på hver enkelt testmetode. Sertifikatene deles gjerne i nivåer - 1, 2 og 3. På nivå 3 vil store bedrifter som regel bare ha en person, som har et overvåkingsansvar overfor de andre. Den praktiske testingen gjøres gjerne av personell på nivå 2.

Laboratorier

For å kunne gjøre destruktiv testing har mange av de større mekaniske bedriftene egne laboratorier. Andre har avtaler med andre bedrifter, en prøveanstalt eller et laboratorium ved en høyskole eller universitet. For å kunne gjøre testingen må laboratoriet være sertifisert av en akkreditert institusjon eller et klasseselskap.

Beskyttelsestiltak

Arbeidstilsynet fører tilsyn med arbeid etter forskrift om sveising, termisk skjæring, termisk sprøyting, kullbuemeisling, lodding og sliping (varmt arbeid). og deres veiledninger

Helseskader

Helseskader fra sveising kommer både av lys, hete og metalldamper/støv lyd og belastning:

• Lys både fra sveiseflammer og elektrisk lysbuesveising krever øyebeskyttelse. Skarpt lys vil medføre sveiseblindhet, som er blinde flekker på netthinnen, som både er smertefullt og kan medføre permanent synsskade. Ved elektrisk lysbuesveising ligger mye av energien i ultrafiolett stråling som lett forårsaker sveiseblindhet og forbrenningsskader på huden som ligner solbrenthet. Elektrisk lysbuesveising krever derfor sveiseglass med høy tetthetsgrad og skjerming av huden. Nyere sveisehjelmer har ofte automatisk nedblending som raskt tilpasser tetthetsgraden når sveisingen pågår.
• Varme fra sveiselysbue, sveiseflamme eller smelte gir både indirekte varmestråling (infrarød stråling) og direkte varme fra kontakt med varmt materiale og sprut. Det er derfor påkrevet med spesielle beskyttelsesklær som sveisehansker, maske og forkle.
• Damper forårsaker helseskader først og fremst på øyet, ved innånding, men også gjennom hud. Dette kan gi en rekke helseskader som allergier, lungeskader (støv på lungen) og metallforgiftning i kroppen. Kortvarig viser virkningen av sterk eksponering for metalldamp seg som såkalt metallfeber som kjennetegnes ved feber, muskelsmerter, frysninger, kvalme og slapphet. Langtidsvirkninger av metall og plast er støvlunge, kreft, nerveskader og så videre Det er derfor påkrevet med punktavsug og filtrering av avgasser fra sveising, eventuelt pustemaske ved enkelte stoffer.
• Belastningsskader ved løfting og håndtering forebygges ved løfte og fastspenningsanordninger.
• Støy ved enkelte typer sveising som for eksempel smisveising krever hørselvern.

Brann

Som ved alt arbeid som krever høy temperatur (varmt arbeid) er det risiko for alvorlige brann- og eksplosjonsulykker. Prosedyrer og rutiner for utførelse av varmt arbeid skal innarbeides i virksomhetens internkontroll. Denne skal gi regler for tildekking, renhold, brannvakt, slokking og lignende.

Se også

• Flens
• Plastsveising
• Sveisebord

Litteratur

• The Procedure Handbook of Arc Welding (1994). Cleveland: Lincoln Electric.