Et godt resultatet ved sveising av aluminium avhenger av type legering og dens leveringstilstand.

1.2.1  Fysikalske egenskaper

1a  Vekt
Egenvekten til aluminium er bare 1/3 av den til stål. Dette gjør aluminium til et interessant designmateriale. Ren aluminium har også tilsvarende dårlige fasthetseghenskaper, men det produseres i dag aluminiumlegeringer som er like sterke som de vanlige konstruksjonsstål. Det er da dessverre også slik at når fastheten går opp, så går sveiseegenskapene ned.

De sterkeste aluminiumlegeringene benyttes i konstruksjoner hvor konstruksjonens vekt er avgjørende. Alternative sammenføyningsmetoder til de vanskeligst sveisbare legeringene kan være nagling, bolting eller liming.

1b  Smeltetemperatur
For ren aluminium er smeltetemperaturen ca. 660⁰C. For aluminiumlegeringer ligger den i området 580 - 660⁰C. Det er da lett å dra slutningen at aluminiumlegeringer er lettere å sveise enn stål som har smeltetemperatur rundt 1500⁰C. Dessverre er ikke dette tilfelle. Vi skal videre se på flere andre faktorer som har innflytelse på sveiseegenskapene.

1c  Varmeledningsevne
Aluminium leder varme 4 ganger bedre enn stål. Ved sveising får dette negativ innflytelse. Sammenlignet med stål må det derfor tilføres varme mye hurtigere for å få smeltet grunnmaterialet ved sveising av aluminium. En del av den positive gevinst ved lavt smeltepunkt blir derfor redusert. Dette kan bøtes på ved å velge en sveisemetode som gir en mer konstant varmetilførsel, for eksempel TIG- eller MIG-sveising.

1d  Varmekapasitet
Det trengs 2 ganger så stor varmemengde, varmekapasitet, for å varme opp en aluminiumslegering 1⁰C i forhold til i stål. Se Figur 1.2.1. Dette vil føre til ytterligere reduksjon av gevinsten ved den lave smeltetemperaturen.

1e  Smeltevarme
Det trengs 3 ganger så stor varmemengde, smeltevarme, til for å smelte en aluminiums-legering i forhold til stål. Dette er enda en reduksjon av gevinsten ved den lave smeltetemperaturen.

Vi kan sette opp et energiregnskap for å se hvor mye varme som skal til for å smelte en aluminiumslegering i forhold til stål. Resultat blir da at det trengs mer varme for å smelte en aluminiumslegering pr. kg. Se Figur 1.2.1.

Det hevdes derfor at varmemengden som skal til for sveising av aluminiumlegeringer og stål er tilnærmet lik.

1f  Smeltetemperatur til aluminiumoksid
Overflaten til aluminium blir naturlig dekket av et oksidbelegg. Dette belegget har smeltepunkt på ca. 2050⁰C, altså mye høyere enn aluminium. Dette skaper en del problemer ved sveising hvis vi ikke sørger for å fjerne dette belegget før og under sveising.

Ved gassveising benytter vi flussmiddel som løser oksidet. Flammen beskytter smeltebadet fra oksidering under sveising.

Ved sveising med dekkede elektroder, er det stoffer i elektrodedekket som løser opp oksidbelegget. Ved å gjøre elektroden positiv vil det føre til oppbryting av oksidbelegget.

Ved sveising med TIG eller MIG benyttes edelgass, argon og argon- heliumblandinger, for å holde luftens oksygen borte. Ved å koble elektroden til pluss-pol brytes oksidbelegget opp.

Elektronene vil gå fra arbeidsstykket til elektroden, som da blir den varmeste polen, se Figur 1.2.2

Dette er gunstig ved MIG-sveising da elektroden skal smelte og bli til tilsettmateriale. Ved TIG-sveising er det derimot mindre gunstig, da elektroden er av wolfram og bør derfor ikke smelte. Wolfram vil forurense smeltebadet og forstyrre lysbuen. Derfor benyttes vekselstrøm ved TIG-sveising av aluminium. Vekselstrøm fører til at elektrodens polaritet skifter, dermed får oppbryting av oksidbelegget på arbeidsstykket samtidig som elektroden ikke blir for varm.

Uansett sveisemetode er det viktig at oksidbelegget fjernes mekanisk ved sliping og børsting med nylonbørster eller rustfri stålbørste like før sveising.

1g  Utvidelseskoeffisienten
Aluminium utvider seg ca. dobbelt så mye som stål ved oppvarming samme oppvarming. Ved avkjøling krymper aluminium tilsvarende. Ved sveising vil det derfor lett kunne oppstå store krympekrefter som kan forårsake store deformasjoner og føre til sprekker. Vi kan forebygge dette ved å velge en sveisemetode med konsentrert varmetilførsel, og å sveise så hurtig og kaldt som mulig. Ved innspenning av arbeidsstykkene, vil vi kunne redusere deformasjonene. Vi hindrer da den frie krympingen, men dette betyr større spenninger og økt sprekkrisiko.

1h  Hydrogenløslighet
Gass som hydrogen, H, oksygen, O, og nitrogen, N, i luft løses alle lett opp i smeltet metall, lettere jo høyere temperaturen er. Smeltet aluminium løser ca. 20 ganger mer H enn størknet aluminium. H som løses i smelten vil som regel ikke få tid til å slippe ut igjen ved avkjøling og størkning av sveiseforbindelsen. Resultatet blir gassblærer, porer, i sveisen. Jo mer H som slipper inn og ikke slipper ut, jo flere porer blir det i sveisen.

Aluminiumlegeringer er generelt godt sveisbare hvis følgende faktorer er oppfylt:

I     Sveising fører ikke til sprekker, porer eller bindefeil.

II    Grunnmaterialet blir ikke ødelagt i den varmepåvirkede sonen.

III   Sveiseavsettet har samme mekaniske egenskaper som grunnmaterialet (arbeidsstykket)

IV  Sveiseavsettet skal ha like gode korrosjonsegenskaper som grunnmaterialet.

Ved sveising av de forskjellige aluminiumlegeringene vil varmen som tilføres bre seg utover i grunnmaterialet ved siden av sveisen. Temperaturen i den varmepåvirkede sonen vil være avhengig av avstanden fra selve sveisen og utover i grunnmaterialet. De forskjellige legeringene vil reagere forskjellig på temperaturene utover i varmepåvirket sone. For de fleste vil resultatet bli redusert styrke i sveiseforbindelsen. Dette avhenger av legeringstype og hvilke tilstand legeringen er levert i. Vi skal nå se nærmere på dette:

2a  Sveising av ikke utherdbare legeringer
Disse legeringene lar seg ikke herde ved varmebehandling. Noen eksempler på vanlige legeringer av denne typen:

- AlMg (aluminium-magnesium)
- AlMn (aluminium-mangan)
- AlSi (aluminium-silisium)
- AlMgMn (aluminium-magnesium-mangan)
- (Al, ren aluminium)

Disse legeringene levers i tilstandene:
a-1  mykglødet
a-2  kaldbearbeidet

2a-1  Grunnmateriale levert i mykglødet tilstand
Sveising på aluminiumlegeringer levert i denne tilstanden vil ikke ha noen innflytelse på egenskapene i varmepåvirket sone.

Grunnmaterialet er i sin bløteste tilstand og vil ikke herdes ved varmepåvirknigen.

Figur 1.2.4
Varmepåvirket sone i mykglødet tilstand. (10)

Figur.1.2.5
Varmepåvirket sone i kaldbearbeidet tilstand. (10)

Selv om styrken i varmepåvirket sone blir redusert, blir kaldvalset materiale sveist. Den tapte styrken kan kompenseres ved å:
- øke godstykkelsen i det svekkede området
- sørge for, hvis mulig, at sveisen plasseres på et sted hvor belastningen er mindre

Norsk standard (og andre lands standarder), spesifiserer materialfastheten i den varmepåvirkede sonen, s_BV,  til:

s_BV = b‧s_B

Legeringen AlMn1 har for eksempel b=0,7 i ½-hard tilstand og 0,5 i hard tilstand.

2b  Sveising av utherdbare legeringer
Disse legeringene lar seg herde ved varmebehandling. Noen eksempler på vanlige legeringer av denne typen:
- AlCu (aluminium-kopper, også kalt ”duraluminium”)
- AlCuMg (aluminium-kopper-magnesium)
- AlMgSi (aluminium-magnesium-silisium)
- AlZnMgCu (aluminium-sink-magnesium-kopper)

Disse legeringene levers i tilstandene:
b-1  mykglødet
b-2  kaldutherdet
b-3  varmutherdet
b-4  - kaldutherdet og kaldbearbeidet
       - varmutherdet og kaldbearbeidet

Fasthet og styrke øker nedover i rekken.

For disse legeringene gjelder at innherding skjer ved temperatur 450-530⁰C, avhengig av legering, og deretter rask avkjøling. Ved etterfølgende lagring ved romtemperatur, øker hardheten i løpet av noen dager til uker. Dette kalles kaldutherding.

Hvis det etter innherding foretas oppvarming av legeringen til en temperatur på 120-185⁰C (avhengig av legering), øker også hardheten. Dette kalles varmutherding. Ved varmutherding oppnås det høyere fasthet og hardhet. Prosessen foregår hurtigere, i løpet av noen timer.

2b-1 Grunnmateriale levert i mykglødet tilstand
Grunnmaterialet er nå i sin bløteste tilstand. Ved sveising er betingelsene for innherding til stede i området nærmest sveisen hvor temperaturen er kommet opp i 450-530⁰C. Ved etterfølgende lagring ved romtemperatur, vil det foregå en kaldutherding som fører til at hardheten øker i denne sonen. For legeringer som blir mye hardere i kaldutherdet tilstand enn i mykglødet tilstand, kan dette være uheldig for spenningstilstanden ved strekkbelastning.

Figur 1.2.6
Varmepåvirket sone i mykglødet tilstand. (10)

I Figur 1.2.7 er varmepåvirket sone delt opp i 2 soner.

-   I sone I vil betingelsene for innherding være tilstede. Etter avkjøling vil materialet herdes i løpet av dager eller uker. Vi får en ny kaldutherding.

-   I sone II vil ikke temperaturen være tilstrekkelig høy for innherding. Her vil det skje en overherding / mykgløding med tap av styrke og hardhet som følge. Styrken kan bare gjenvinnes ved ny varmebehandling av hele arbeidsstykket.

Hvis legeringen er av en type som har stor forskjell i styrke/hardhet i mykglødet og kaldutherdet tilstand, vil sveising gi stor svekkelse av materialstyrken i varmepåvirket sone.

Den gruppen legeringer som egner seg best for sveising i kaldutherdet tilstand, er AlZnMg. Disse legeringene er ”selvherdende”, dvs. at både sone I og II har oppnådd ny kaldutherding etter ca. 4 uker.

Figur.1.2.8
Varmepåvirket sone i varmutherdet tilstand. (10)

I Figur 1.2.8 er varmepåvirket sone delt opp i 2 soner.

-   I sone I vil betingelsene for innherding være tilstede. Etter avkjøling vil materialet kaldutherdes. Styrken / hardheten som oppnås vil ikke være like stor som grunnmaterialets, som er i varmutherdet tilstand.

-   I sone II vil vi få overherding/mykgløding med svekket styrke som følge. Forskjellen i styrke mellom mykglødet og varmutherdet tilstand vil for disse legeringene være stor. Sveising av disse legeringene frarådes.

2b-4  Grunnmateriale levert i kombinert utherdet og kaldbearbeidet tilstand
I denne tilstanden vil legeringen ha fått den største styrke/hardhet som kan oppnås. Dette skjer gjennom innherding, kaldforming og utherding (kald eller varm).

 Figur.1.2.9
Varmepåvirket sone i kaldutherdet / varmutherdet og kaldbearbeidet tilstand. (10)

For kaldutherdet og kaldbearbeidet materiale:
- I sone I og II vil styrken/hardheten oppnådd ved kaldbearbeiding gå tapt
- I sone II og III vil styrken/hardheten oppnådd ved kaldutherding gå tapt

For varmutherdet og kaldbearbeidet materiale:
- I sone I og II vil styrken/hardheten oppnådd ved kaldbearbeiding gå tapt
- I sone I, II og III vil styrken/hardheten oppnådd ved varmutherding gå tapt

I hvor stor grad strukturen i den varmepåvirkede sonen blir ødelagt ved sveising, avhenger av:
- bredden av varmepåvirket sone
- tiden temperaturen blir holdt i varmepåvirket sone

Det er et ønske å holde begge disse faktorene, bredde og tid, minst mulig ved sveising av aluminium. Vi sier at aluminium bør sveises så kaldt som mulig. Dette har direkte sammenheng med den varmemengden som tilføres ved sveising. For å redusere uønsket varmepåvirkning, bør vi tilføre minst mulig varme på minst mulig areal.

3a  Gassveising og buesveising med dekkede elektroder
Disse sveisemetodene anbefales kun brukt for reparasjonssveising. Begge metodene har liten effektkonsentrasjon og gir bred varmepåvirket sone. Som uttrykk for effektkonsentrasjonen kan vi studere data for anbefalt forvarming. For gassveising er det foreslått en forvarmingstemperatur på 300-400⁰C for godstykkelse over 3,5mm.

Sveisemetodene er derfor veldig uheldig for sveising av kaldbearbeidede og utherdete legeringer pga. svekkelse av styrke/hardhet.

Gassveising er den sveisemetode som tilfører mest varme. Det fører til den største varmeutvidelsen og til største krymping. Dette medfører igjen store deformasjoner og spenninger. Den største ulempen ved gassveising er at vi må benytte flussmiddel for å løse opp oksidbelegget. Hvis noe flussmiddel blir igjen på overflaten, kan dette forårsake kraftig korrosjonsangrep.

Sveising med dekkede elektroder har den ulempen at det lett kan oppstå porøsitet i sveiseavsettet. Dekket på elektroden tar lett opp fuktighet som overføres til smeltebadet i form av hydrogen- og oksygengass. Resultatet kan bli porer og såkalt ”hydrogensprøhet”. Det stilles derfor ofte krav til at elektroden tørkes og oppbevares på forskriftsmessig måte. Det er også viktig med slaggrensing da slaggen virker etsende og derfor vil medføre korrosjonsangrep.

3b  MIG- og TIG-sveising
MIG og TIG er de anbefalte sveisemetodene ved sveising av aluminium. Begge metodene gir konsentrert effekt og god oppbryting av oksidbelegget, slik at varmepåvirkningen blir minst mulig. Når velge TIG- eller MIG-metoden, avhenger blant annet av godstykkelsen.

MIG-metoden er bedre enn TIG-metoden når det gjelder bredden av varmepåvirket sone og tiden temperaturen blir holdt i varmepåvirket sone.

Figur    1.2.10 viser hvordan bredden av varmepåvirket sone er avhengig av sveisemetodene MIG og TIG. Prøvene er foretatt på plater med godstykkelse 6-10mm. Fra kurvene ser vi at temperaturen er 150⁰C i et punkt i en avstand ca. 30mm fra midt i sveisen ved sveising med MIG-metoden. Tilsvarende avstand ved TIG-metoden er ca. 40mm.

Figur 1.2.10
Bredden av varmepåvirket sone avhengig av sveisemetodene MIG og TIG. (10)

Figur 1.2.11
Tiden varmen holder seg i materialet avhengig av metodene MIG og TIG. (10)

Som uttrykk for effektkonsentrasjonen kan vi studere data for forvarming for MIG- og TIG-metoden. For MIG-metoden er det foreslått forvarming på 150-200⁰C for tykkelser over 10mm. For TIG-metoden bør tykkelser på 15mm og over forvarmes.

Aluminium har høy varmelednings-evne og varmelednings-koeffisient. Sammen med stor varmemengde som tilføres ved sveising, kan dette føre til store deformasjoner i konstruksjonen. Materialet slår seg. Hvis vi prøver å hindre deformasjonene ved for eksempel kraftig innspenning, vil det oppstå store spenninger i konstruksjonen etter sveising. Krympingen etter sveising vil føre til ulike typer deformasjoner, som tverr-, langs- og vri-(vinkel-)deformasjon.

Aluminium kan ikke skjæres med vanlig skjærebrenner som stål. Aluminium kan skjæres med plasmabrenner eller MIG-sveiseutstyr. Dette er utstyr som ikke er så lett tilgjengelig.

Aluminium plater blir ofte klippet eller saget med bånd- eller sirkelsag. Små profiler kappes med sirkelsag. Båndsag benyttes vanligvis til kapping av større profiler.

For I-fuger er det etterpå nødvendig å fjerne gradene etter klippingen eller sagingen.

For å få X-, K- og V-fuger, må platekantene bearbeides etter kappingen.

For større og uhåndterlige plater benyttes ofte pneumatiske eller elektriske håndverktøy som sirkelsag eller kanthøvel.

For mindre plater og korte profiler blir fugingen oftest utført i en verktøymaskin. Til dette er en båndsag spesielt hendig. Avrettehøvel kan også benyttes.

Ved ekstrudering av aluminiumprofiler er det mulig å fremstille ferdige fuger uten noen form for etterbearbeiding. Dette er en stor fordel ved bruk av aluminium fremfor stål, da stål ikke lar seg ekstrudere (forme) så lett.

Sveisefeil forekommer ofte ved start og stopp av en sveis, spesielt som bindefeil og kratersprekker. For å hindre og å redusere sveisefeil, påsettes endebiter i hver ende av fugen. Sveisefeil oppstår da i disse, og de fjernes kan etter sveising.

Ved valg av type sveisefuge gjelder, også ved sveising av aluminium, at fugen ikke skal være større enn nødvendig for å komme til med valgte sveisemetode og ved aktuelle godstykkelse.

Sveis minst mulig.

Anbefalte sveisefuger avhengig av sveisemetode og platetykkelser er spesifisert i nasjonale og internasjonale standarder.

Figur 1.4.1 viser noen eksempler på sveisefuger etter Norsk Standard, NS.

Ved valg av riktig tilsettmateriale til legeringen eller legeringene som skal sveises, er faktorene under viktige å vurdere:

-  legeringens styrke

-  ømfintlighet for varmsprekker

-  korrosjonsmotstand

-  fargeoverensstemmelse

-  pris

I praksis vil det være umulig å ta hensyn til alle disse faktorene. Det må foretas en vurdering og prioritering av hva som er viktigst.

For å unngå varmsprekker, selges ikke tilsettmateriale som inneholder kopper, Cu, eller lavt innhold av magnesium, Mg.

Anbefalte tilsettmaterialer avhengig av viktige egenskaper er spesifisert i nasjonale og internasjonale standarder.

Feil ved sveising av aluminium og dets legeringer kan skyldes:

-  De fysikalske egenskapene og varmepåvirkningen av grunnmaterialet.
      Dette er feil som stort sett befinner seg utenfor selve sveiseavsettet.

-  Porer, slagg, bindefeil og varmsprekker.
      Dette er feil som stort sett befinner seg i selve sveiseavsettet.

Porer skyldes ofte at smeltebadet inneholder hydrogen, H, som gass når det størkner. H finnes i vann, olje, fett, maling eller støv som kan dekke materialoverflaten, tilsettråden, dekket på elektroden sveisehansker og annet som kommer i berøring med selve smeltebadet.

H kan også tas opp i smeltebadet fra de nærmeste omgivelser, for eksempel fra  underlaget som arbeidsstykket ligger på eller fra lufta omkring.

For å unngå opptak av H, og dermed porer, er det viktig med rengjøring og eventuelt forvarming eller tørking. Hvis materialet i utgangspunktet er i herdet tilstand, vil tørking ved temperaturer på 120-180⁰C kunne svekke materialets styrke. Ved MIG- og TIG-sveising må også dekkgassen ha høy renhetsgrad.

Slagg kan skyldes oksid, Al₂O₃, eller forurensninger som danner slagg. Jern(Fe)støv er veldig uheldig, da Fe reagerer kjemisk med Al og danner nåleformede Al₃Fe-partikler. Disse partiklene fører til sprøhet i sveisen.

Oksider, Al₂O₃, i sveiseavsettet kan skyldes mange faktorer. For eksempel sveisemetoden, sveiseteknikken eller at oksidbelegget ikke er fjernet før sveising.

For å fjerne oksidbelegget, kan vi benytte løsningsmidler eller mekanisk behandling som sliping eller børsting. Bruk nylonbørste eller børste av rustfritt stål. Børste av vanlig stål vil lett kunne etterlate støv som kan komme inn i smeltebadet ved sveising og igjen kunne føre til nåleformede Al₃Fe-partikler. Børste av rustfritt stål inneholder også Fe, men mindre enn vanlig stål, og er ikke så farlig.

Bindefeil skyldes bl.a. de fysikalske egenskapene til aluminium, dannelse av oksid, Al₂O₃, på overflaten og den store varmeledningsevnen.

For å få metallisk binding, må først oksidbelegget brytes eller løses opp. Deretter må varmetilførselen være så rask at vi får smeltet fugesiden. Begge disse er avhengig av valgt sveisemetode og hvor avansert sveiseutstyret er.

Bindefeil kan forekomme ved MIG- og TIG-sveising, og skyldes da feil ved utstyret, at dekkgassen blåser bort eller at vi bruker feil sveiseteknikk.

For å unngå bindefeil er det viktig med rengjøring, fjerning av oksidbelegget og forvarming i tilfeller hvor sveisemetodens effektkonsentrasjon er for liten.

Grunnmaterialets og tilsettmaterialets kjemiske sammensetning kan føre til sprekker i sveisemetallet, såkalte varmsprekker. Når sveisemetallet størkner, opptrer seigringsfenomenet. Dette fører til at eventuelle forurensninger, med lavt smeltepunkt, samler seg i den delen av sveisemetallet som størkner sist, dvs. i senter og nær overflaten. Noen av disse forurensningene har lav fasthet, ved høy og ved lav temperatur.

For eksempel kobberholdige, Cu, tilsettmaterialer regnes som ikke sveisbare. Ved sveising dannes det et lettsmeltelig produkt, Al-Cu, som legger seg som en film utenpå krystallene som størkner sist midt i sveisen. Denne filmen har dårlige mekaniske egenskaper. Når aluminium krymper ved avkjøling, vil krympespenningene kunne forårsake sprekker sentralt i sveisen. Husk også at aluminium krymper ca. dobbelt så mye som stål.

Andre legeringer som medfører fare for varmsprekker er av AlMg-typen. Spesielt hvis legeringsinnholdet er 1-2% Mg. Ved å benytte tilsettmateriale med Mg-innhold over 3,5-4% vil vi kunne unngå varmsprekker.

Varmsprekker kan oppdages ved bruk av visuell kontroll, fargepenetranter eller ultralydkontroll.

Forskrifter, regler og beregnings- og dimensjoneringsstandarder er vanligvis sammensatt av:
  - belastningsbestemmelser
  -  materialbestemmelse
  -  beregnings- og konstruksjonsteori
  -  spesielle sikkerhetsbestemmelser
  -  praktisk erfaring med hensyn til bruk
  -  praktisk erfaring med hensyn til fremstilling og kontroll
  -  vaner, tradisjon
  -  økonomiske vurderinger

En konstruksjon beregnes alltid i forhold til 2 omstendigheter:
  -  Lastomstendighetene.
     Konstruksjonens hensikt, belastning eller påkjenning.
  -  Hva konstruksjonen tåler.
     Hvordan konstruksjonen kan oppføre seg før den ikke lenger kan sies å oppfylle sin funksjon.

Beregnings- og dimensjoneringsstandardene opererer vanligvis med 4 forskjellige grensetilstander:

1. Bruddgrensetilstanden.
    En definert kapasitet hos en konstruksjon eller et konstruksjonselement.
    Denne kapasiteten er fastlagt i relasjon til faren for brudd eller store uelastiske forskyvninger eller tøyninger som kan sammenlignes med brudd.

2. Bruksgrensetilstanden.
    En definert grense som ikke skal overskrides ved den forutsatte bruk av en konstruksjon eller et konstruksjonselement.
    Denne grensen er fastlagt i relasjon til faren for ikke akseptable forskyvninger, tøyninger, rissdannelser, spenninger, nedbøyninger, og lignende.

3. Utmattingstilstand
    En definert levetid.
    Denne levetiden er fastlagt i relasjon til faren for brudd på grunn av virkningen av gjentatt last.

4. Ulykkesgrense
    Tilstand fastlagt i relasjon til faren for omfattende sammenbrudd i konstruksjonen etter at en lite sannsynlig hendelse er inntruffet.
    (Eksempel brann)

Det forutsettes at dimensjonering av konstruksjoner foretas ved beregningsmessig kontroll av de nevnte tilstander.

Ved beregning / dimensjonering skal ikke grensetilstandene overskrides ved bestemte laster.

Beregningsreglene (standardene) angir hvordan dette skal skje.

Ulike konstruksjoner vil ha ulike grensetilstander.

Alle konstruksjoner skal ha en bestemt sikkerhet. Sikkerheten skal delvis dekke usikkerheten angående:

Nyere dimensjoneringsmetoder går ut på å sammenligne dimensjonerende last eller lasteffekt (påkjenning) med en dimensjonerende materialfasthet eller kapasitet.

Det benyttes elastiske og plastiske beregningsmetoder. Her skal vi kun benytte elastiske beregningsmetoder. Disse kan brukes både for bruksgrensetilstanden og bruddgrensetilstanden.

Metoder for plastisk beregning kan logisk bare benyttes i bruddgrensetilstanden.

Figur 1.8.1
Terningformet utsnitt av materialet. (16)

s_j = jevnførende spenning = en tenkt normalspenning som tilsvarer effekten av normalspenningene og skjærspenningene. Denne spenningen måles mot materialets tillatte spenning.

s_x² + s_y²  - s_xs_y + 3t_xy² + 3t_yz²  = s_j²                                                        (7.1.8.2)

De 4 forskjellige spenningskomponentene som opptrer i sveisesnittet betegnes ofte s_^, s_║, t_^ og t_║, hvor:

s_^  = normalspenning rettvinklet på sveisesnittet og sveisens lengderetning

s_║  = normalspenning parallell med sveisesnittet og med sveisens lengderetning

t_^  = skjærspenning rettvinklet på sveisens lengderetning og parallell med sveisesnittet

I Figur 1.8.2 er:

a  = sveisens rotmål eller a-mål.

      For kilsveis angis a-målet som høyden i den største trekant som kan innskrives i kilsveisens tverrsnitt.

l  = sveisens lengde.

Spenningskomponentene regnes jevnt fordelt over sveisesnittet

s_d   = dimensjonerende spenning = s_0,2/n_F

s_0,2 = materialets flytegrense (0,2% flytegrense)

n_F   = flytesikkerhet.
          Sikkerhetsfaktor (”usikkerhetsfaktor”) mot flyting som avgjøres i hvert enkelt tilfelle, en erfaringsverdi. Typiske verdier 1,0 - 2,5.

g_m   = materialkoeffisient.
          Verdier fra 0,95 – 1,44 (etter NS3471).

Ved beregning av sveiste forbindelser, skal de enkelte spenningskomponentene beregnes for selve sveisesnittet og for grunnmaterialet like ved siden av sveisen. Det er da forutsatt at det ikke uten videre er klart på forhånd om sveisen eller grunnmaterialet vil få størst belastning.

Ved buttsveiser og K-sveiser bør det vanligvis kontrolleres i et snitt i grunnmaterialet.

Ved kilsveiser vil selve sveisesnittet være avgjørende.

Beregninger av de enkelte spenningskomponentene vil nå bli vist ved hjelp av eksempler.


Eksempel 1

Buttsveist plate belastet i 3 retninger med P₁, P₂ og P₃. Vi forutsetter at l = l_e

Figur 1.8.3
Buttsveist plate utsatt for kreftene P₁, P₂, P₃ og P₄. (1)

s_^  = P₁∙g_f / (t∙l)

s_║  = P₂∙g_f / (b∙t)     P₁ og P₂ er normalkrefter

t_^  = P₃∙g_f / (t∙l)

t_║  = P₄∙g_f / (t∙l)      P₃  og P₄ er skjærkrefter

Her blir a-målet = platetykkelsen t
 

Eksempel 2

2 plater skjøtt med 2 kilsveiser og belastet i 2 retninger med P₁ og P₂. Vi forutsetter at l = l_e og a = a_e.

Figur 1.8.4
2 plater skjøtt med 2 kilsveiser og utsatt for kreftene P₁ og P₂. (1)

Spenningskomponentene i ligning (1.8.4) blir:

Eksempel 3

T-skjøt med kilsveiser og belastet i 1 retning med P₁. Vi forutsetter at l = l_e og a = a_e.

Figur 1.8.5
T-skjøt med kilsveiser utsatt for kraften P₁. (1)

Spenningskomponentene i ligning (1.7.4) blir:

Eksempel 4

Bjelke med kilsveiser mellom livplate og flens utsatt for bøyemoment. Vi forutsetter at a = a_e.

Figur 1.8.6
Bjelke med kilsveiser mellom livplate og flens utsatt for bøyemoment. (1)

a) For kilsveiser mellom livplate og sveis:

Hvor:

M    = bøyemoment

I_sveis = treghetsmoment til sveis (mm⁴)

V     = skjærkraft

S     = statisk moment av tverrsnittflaten over snitt s-s i forhold til nøytralaksen
 

b)         For Buttsveis i livplate:

Punkt A, se Figur 1.8.5, er dimensjonerende.

S har tilnærmet samme verdi som ved beregning av kilsveis.



Eksempel 5

I-profil sveist på plate med kilsveis og utsatt for bøyemoment. Vi forutsetter at a = a_e.

Figur 1.8.7
I-profil sveist på blate med kilsveis og utsatt for bøyemoment. (1)

Spenningskomponentene i ligning (1.8.4) blir:

Punkt øverst i kilsveisen, i avstand h+2a fra nøytralaksen, er dimensjonerende.

De fleste aluminiumlegeringer leveres i tilstand hardbearbeidet eller varmebehandlet (innherdet og utherdet). På denne måten har legeringene oppnådd en fasthetsøkning. Denne fasthetsøkningen kan gå tapt ved sveising i en sone omkring sveisen, varmepåvirket sone. Størrelsen på denne sonen hvor det har oppstått en fasthetsreduksjon vil variere noe med sveisemetode, grunnmaterialets legering og tilstand, materialtykkelse og antall sveiselarver.

Figur 1.8.8
Fasthetsprofil over varmepåvirket sone i sveis. (6)
Platetykkelse er 3,2mm. Kurvene viser tilnærmingsverdier fremkommet ved å ta hardhetsmålinger, HRE (Hardhet Rockwell E), og å regne disse verdiene om til materialfasthet ved bruk av den empiriske formelen utledet for aluminium legeringer. UTS
(Ultimate Tensile Strength) = 10,66 – 19,42 ln(1-(HRE/109))

I den varmepåvirkede sonen er materialfatheten redusert:

s_BV = b×s_B                                                                                             (1.8.5)

hvor
s_B  = strekkfastheten (bruddfatheten) for ikke varmepåvirket materiale

b    = reduksjonsfaktor

En buttsveis i en 8mm plate, materiale Al-Mg2 levert i tilstand H14, er sveist med TIG-metoden. Platene er utsatt for krefter normalt på, P₂, og sveisens lengderetning, P_A.

s_0,2 = 110 N/mm²

s_B   = 180 N/mm²

P₁ £ 84∙400∙8+92(400-2×25)∙8 

Bæreevnen i lengderetningen settes lik summen av bæreevnen i varmepåvirket sone og bæreevnen for ikke-varmepåvirket sone.

De viktigste faktorene som påvirker utmattingsfastheten i konstruksjoner er:

d) Kompleksiteten av sammenføyd detalj.

Komplekse sammenføyninger fører ofte til høy spenningskonsentrasjon på grunn av den lokale variasjonen i konstruksjonsstivhet. Det oppstår i tverrsnittoverganger som fører til avbøyning av kreftenes flylinjer. Dette har liten effekt hvis konstruksjonen er utsatt for rene statiske spenninger, men kan føre til alvorlige konsekvenser for konstruksjoner utsatt for dynamisk påkjente spenninger. Hvis utmattingspåkjenning er dominerende, bør forbindelsens tverrsnitt velges slik at overgangen mellom de to sammenføyde delene er så myk som mulig.

Eksempel er konstruksjoner som båter, oljeinstallasjoner, etc som befinner seg i kystklima med saltvann.

Disse testene er foretatt på sammensatte og ikke-sammensatte aluminiumdetaljer og er bland annet utført for legeringene AA5083, AA 5086, AA 5454, AA 6005 og AA 6082. Resultatet av disse testene har vist (for lastveksler N ≥ 10⁵) at sveiste aluminiumdetaljer er påvirket av flere faktorer.

9.2a Påvirkning av grunnmaterialet.

9.2b Effekten av forholdet R.

 R = s_min/s_maks

 Ds = s_min - s_maks
 

9.2c Effekten av fasongen på detaljen og krav til utførelse.

Dette er spesielt viktig da utmatting av konstruksjonsdetaljer er avhengig av:

- Detaljens design.
  Utførelse er avgjørende for størrelse på faktor for spenningskonsentrasjon.

- Kvalitet på utførelsen.
  Utmatting ved høyt antall lastveksler avhenger vesentlig av lokale defekter som kan virke som startsteder for sprekker.

9.3 Viktigheten av design.

 9.3a Fastsveiste detaljer på bjelkeflenser med avrundet overgang.

Figur 1.9.2 viser plate sveist til kanten av flens på bjelke med kantradius r ≥ 50mm.

Platen blir før sveising maskinert med en gradvis overgang med kantradius, r.

Etter sveising blir skjøten slipt så slipestripene får retning parallelt med spenningsretningen.

Figur 1.9.2
Plate sveist til kanten av flens på bjelke med kantradius r ≥ 50mm. (8)

9.3b Fastsveiste detaljer på bjelkeflenser uten avrundet overgang.

Figur 1.9.3 viser plate sveist til kanten av flens på bjelke uten kantradius.

Figur 1.9.4
Spenningsvariasjon, Ds, som funksjon av lastveksler, N for plate sveist til kanten av flens på bjelke med og uten kantradius. (8)

Butt sveis – Tversgående – Enkel skjøt

(b) Den tversgående buttsveisen består av to enkle komponenter, for eksempel plater med eller uten overganger Disse er sveist fra begge sider med full gjennomsveising til rot.

Sveisestrengen er så planslipt med slipestriper i samme retning som opptredende spenninger.

Overgangsvinkelen mellom sveisestreng og plate overskrider 150⁰.

Kantene på hoveddelene må enten være som ekstrudert eller nøye maskinert eller slipt i spenningsretningen.

Sveisene må være fri for påviste urenheter på basis av kvalitetssikringssystemet.

Overganger mellom tversgående plater må ha bredde- tykkelsesendring som ikke overskrider ¼.

(c) Den tversgående buttsveisen består av to enkle komponenter, for eksempel plater med eller uten overganger Disse er sveist fra begge sider eller en side med full gjennomsveising til rot.

(d) Den tversgående buttsveisen består av to enkle komponenter, for eksempel plater med eller uten overganger Disse er sveist fra en side med ”motlegg” med en form som sikrer full gjennomsveising.

- Tillatt spenning øker med en faktor på 1,4 for samme livslengde.

Figur 1.9.9 
Spenningsvariasjon, Ds, som funksjon av lastveksler, N, For tilfellene (a), (b), (c) og (d). (8)

Det overstående viser at utmatting i sveiste detaljer i aluminiumlegeringer benyttet i landtransport (vei og skinner) eller sjøtransport og for lastsykler N ≥ 10⁵ er:

- Avhengig av forholdet R = s_min/s_maks i samsvar med nivået på restspenninger.

Målet med god design for sveising er å sørge for kontinuitet mellom delene i en struktur. Det er viktig å sørge for jevn kraftflyt uten hindringer over sveiseskjøtene. Både sveiseutførelse og kostnad er avhengig av god design av selve sveiseskjøten.

- Plasser sveisene i områder med lave spenninger.

Bjelker belastet med bøyemoment kan produseres ved å sveise sammen to eller flere ekstruderte aluminiumprofiler og plassere sveisene i nøytralaksen i steget. Dett fører også til reduserte sveisekostnader da tykkelsen av steget ofte er tynnere enn flensene.

- Plasser sveisene parallelt med retningen av hovedspenningen.

Det er tilfeller hvor en sveiseskjøt må plasseres i områder med høy spenning. Da blir plassering av sveisens retning avgjørende for sveiseskjøtens styrke. Hvis sveiseskjøten plasseres parallelt med retningen til hovedspenningen, vil styrkereduksjonen i skjøten kun bli i en begrenset sone (varmepåvirket sone) og balansert av styrken til ikke varmepåvirket materiale. Hvis plassering på tvers av hovedspenningens retning, vil sveiseskjøtens styrkereduksjon tilsvare styrkereduksjonen i varmepåvirket sone.

 Figur 1.10.2
Vanlig design område for styrkereduksjon i sveis. (6)

- Sveis på forsterkninger på buttskjøter for å øke styrken.

Hvis du må benytte tversgående buttskjøter, kan styrken nesten opprettholdes ved å benytte forsterkningsplater. Skjøtens utmattingsfasthet vil avhenge av platenes design og hvordan de sveises på.

- Øk platetykkelsen i området varmepåvirket sone.

I tilfeller hvor sveiseskjøtens styrke må være lik styrken i grunnmaterialet, kan delene maskineres eller slipes slik at den varmepåvikede sonen blir tykkere for å kompensere for styrketapet ved sveising.

Økt godstykkelse i varmepåvirket område kan ofte enkelt legges inn i design av ekstruderte profiler.

Figur 1.10.5 viser 2 ekstruderte profiler som må buttskjøtes. Det er ikke mulig å komme til for dobbeltsidig sveising. Det vil være upraktisk å benytte baklegg som må fjernes, så i stedet er baklegg inkludert i profilet. Ved denne løsningen blir også delene fiksert for sveising.

-  Effektive panelstivere.

Panelstivere har vanligvis tynne ribber og tykke flenser, og kan derfor bli vanskelige å sveise. De tynne ribbene har også en tendens til å ”slå” seg. I slike tilfeller kan vi designe en tykk ende på ribben.

- Overlappskjøt fremfor buttskjøt.

Overlappskjøt har fordeler fremfor buttskjøter da de tillater variasjon i overlappen uten å virke inn på sveisbarheten. En ulempe er at de ikke gir plane overflater. De vil også medføre bøyemoment når belastet på tvers i strekk eller trykk. Det vil også oppstå en spenningsspiss i kilsveisens tå. Kombinert med bøyemoment vil denne overlappskjøten ha lav utmattingsfasthet.

- Buttskjøt mellom ekstruderte profiler.

Det er ofte lettere å få til en nøyaktig skjøt ved å bruke ekstruderte profiler. For eksempel kan to T-profiler med designet fuge / fiksering sveises sammen til et I-profil.

- Buttskjøt mellom tynne plater.

Vanligvis er kanalstiver mest anvendelige som panel stivere for aluminiumkonstruksjoner.

Ved å sveise kanalendene fast til platene, oppnår vi en lukket boks, som gjør konstruksjonen stivere enn å benytte vinkler eller T-profiler.

10.4 Hjørne konstruksjoner

En veldig vanlig utfordring er å få til gode designløsninger som er økonomisk og styrkemessig gode hjørneskjøter.

10.5 Møtende sveiser

En sveis i en aluminiumlegering er ikke påvirket metallurgisk av en møtende sveis. Det er derfor ikke nødvendig med forholdsregler for å unngå møtende sveiser, som er tilfelle ved sveising av andre materialer. Ved sveising av aluminium er det mye bedre å ha møtende sveiser enn et opphold i sveisene.

Sveisestart og -stopp ved avbrekk eller åpninger er veldig vanskelig å få til uten feil med både TIG- og MIG-sveising. De representerer også potensielle steder for store spenningskonsentrasjoner som kan føre til redusert utmattingsstyrke.

En sveiseskjøt er en stiv (som grunnmaterialet) sammenføyning. I en skjøt som er både sveist og mekanisk skjøtt for å dele samme belastning, vil sveisen bære hele belastningen. Den mekaniske festeordningen vil bli ubelastet. Hvis sveisen er tilstrekkelig sterk, vil den mekaniske festeanordningen være overflødig. Hvis sveisen skulle feile, vil festeanordningen ta opp belastningen. Dette er derfor sjeldent en effektiv bruk av de to sammenføyningsmetodene. Se øvre del i Figur 1.10.13.

Noen ganger kan denne kombinasjonen av sammenføyning rettferdiggjøres. Mekaniske festeordninger kan benyttes f.eks. for å hindre hengsle-effekt av sveis, og således beskytte sveisen mot spenninger som den ikke så godt er egnet for. Se nedre del i Figur 1.10.13.

10.7 Design eksempler

Her følger noen eksempler på forenklet og bedre design for sveising.

- Redusering av antall sveiser fra 12 til 4, se figur 1.10.14.

Her benyttes buttsveis i stedet for svakere kilsveis, som også er vanskeligere å ta røntgen av. Konstruksjonen har færre antall komponenter. Mindre sveising gir mindre varmepåvirkning, som også fører til mindre rettearbeide.

- Trekkstang til kjøretøy, se figur 1.10.15.

Begge disse utformingene er dimensjonert for samme dynamiske belastning.

a) Komplisert konstruksjon, mye materiale og mye sveis.

b) Enklere konstruksjon med riktig kraftflyt.