Ramen och chassit håller ihop en tung arbetsmaskin. De bär motor, hydraulik, hytt och redskap och tar upp krafterna från mark, last och egenrörelse. På en grävmaskin, en dumper eller en mobilkran går dessa krafter genom svetsade stålkonstruktioner innan de når marken. Hur svetsarna är utformade och utförda påverkar därför både hur maskinen tål belastning och hur länge den håller.
Arbetet sker i två tydligt skilda sammanhang. Det första är tillverkning, ofta i serie eller i mindre satser, hos maskinbyggaren eller hos en underleverantör som levererar färdiga ramar. Här svetsas i fixturer, ofta med mekaniserad eller robotiserad utrustning och under kontrollerade förhållanden. Det andra är reparation, antingen i verkstad eller ute i fält, när en ram har spruckit eller skadats. Förutsättningarna skiljer sig mycket åt mellan dessa två, men kraven på hållfasthet i den färdiga fogen är desamma.
I tillverkning finns en svetsansvarig som ser till att rätt metod, rätt tillsatsmaterial och rätt arbetssätt används. Detta regleras ofta genom ett kvalitetssystem enligt ISO 3834, som ställer krav på hur svetsarbetet planeras, dokumenteras och kontrolleras.
Stålet och dess svetsbarhet
Ramar tillverkas till största delen av konstruktionsstål. Ett vanligt val är S355, ett stål med sträckgräns på 355 MPa som går att svetsa utan särskilda åtgärder i de flesta godstjocklekar. För att minska vikt utan att tappa bärförmåga används i ökande grad höghållfasta stål med sträckgräns från ungefär 500 MPa och uppåt, till exempel i serierna S690 och S960. Tunnare gods ger lättare maskiner, men det höghållfasta stålet ställer hårdare krav på hur svetsningen utförs.
Hur lätt ett stål går att svetsa beskrivs ofta med kolekvivalenten, CEV. Den väger samman halten kol och andra legeringsämnen till ett tal som visar hur benäget stålet är att bilda hård och sprickkänslig struktur i den värmepåverkade zonen intill svetsen. Ju högre CEV, desto större risk för sprickor om svetsningen sker för kallt eller med för mycket väte i fogen. Tillverkarens materialintyg anger den faktiska sammansättningen, och utifrån den bestäms behovet av förvärmning.
Värmestyrning och förvärmning
Den vanligaste skadan vid svetsning av höghållfast stål är vätesprickor, även kallade kallsprickor. De uppstår när tre förhållanden sammanfaller: väte i smältan, en hård och sprickkänslig struktur i den värmepåverkade zonen och dragspänningar. Sprickorna bildas dessutom först när fogen svalnat, ofta vid eller nära rumstemperatur, och kan därför visa sig timmar efter att svetsen är klar. Genom att begränsa en eller flera av dessa faktorer minskar risken.
I praktiken styrs detta på tre sätt. Förvärmning höjer plåtens temperatur före och under svetsning så att fogen svalnar långsammare och vätet hinner diffundera ut. Tillsatsmaterial med lågt vätetillskott begränsar hur mycket väte som tillförs från början. Kontroll av mellansträngstemperatur ser till att plåten varken blir för kall mellan strängarna eller så varm att hållfastheten i zonen sjunker.
Hur snabbt fogen svalnar mäts ofta som t8/5, tiden det tar för svetsen att svalna från 800 till 500 grader. Det intervallet styr vilken struktur som bildas i stålet. Svalnar det för snabbt blir zonen hård och sprickbenägen. Svalnar det för långsamt sjunker hållfastheten. För höghållfasta stål anger tillverkaren ofta ett tillåtet intervall för både värmetillförsel och t8/5, och svetsdatan anpassas efter det.
Svetsmetoder i tillverkning och reparation
Valet av metod beror på godstjocklek, fogtyp, läge och om arbetet sker i fixtur eller på plats. Några metoder återkommer:
MAG-svetsning (gasmetallbågsvetsning) är den vanligaste i tillverkning. Den ger hög nedsmältning, går att mekanisera och robotisera och fungerar med både solidtråd och rörtråd. Pulsad MAG används för tunnare gods och för svetsning i andra lägen än horisontellt, eftersom den ger mindre sprut och bättre kontroll på smältbadet.
- Rörtrådssvetsning (FCAW) används där man vill ha hög nedsmältning även i svårare lägen, till exempel vid grova fogar.
- Pulverbågsvetsning (SAW) används för långa, raka fogar i grovt gods, exempelvis längsgående svetsar i balkar, där den höga och jämna nedsmältningen lönar sig.
- Belagd elektrod (MMA) används mest vid reparation och fältarbete, eftersom utrustningen är enkel att ta med och metoden fungerar i alla lägen.
I serietillverkning väger man nedsmältning, möjlighet till mekanisering och jämn kvalitet mot varandra. Vid reparation styrs valet i stället av åtkomst, läge och möjlighet att förvärma. En spricklagning ute i fält görs ofta med belagd elektrod eller rörtråd, eftersom de fungerar utan skyddsgas som annars blåses bort i vind.
Fogutformning och utmattning
Ramar och chassin utsätts sällan för en enda stor last. I stället handlar det om upprepade, växlande belastningar när maskinen arbetar, kör och lyfter. Det gör att utmattning, inte enstaka brott, oftast bestämmer hur länge en svetsad ram håller. Utmattningssprickor startar nästan alltid vid svetsen, och oftast vid svetstån, övergången mellan svetsgods och grundmaterial. Där samlas spänningarna, och där finns ofta små geometriska anvisningar som en spricka kan utgå från.
Av det följer ett antal val i utformningen. En genomsvetsad fog tål växlande last bättre än en kälsvets med kvarvarande rotspalt, eftersom roten i en kälsvets blir en inbyggd anvisning. Mjuka övergångar mellan detaljer tål mer än tvära. Svetsen placeras helst bort från de punkter där spänningen är som högst.
För fogar med hög utmattningslast finns efterbehandlingar som höjer livslängden genom att förbättra övergången vid svetstån. Slipning tar bort den skarpa övergången och eventuella ytdefekter. TIG-omsmältning smälter om svetstån till en jämnare form. Högfrekvent slagbehandling, HFMI, bearbetar svetstån mekaniskt så att formen blir mjukare och ytan får tryckspänningar i stället för dragspänningar. Alla tre minskar spänningskoncentrationen där en spricka annars skulle starta.
Deformation och egenspänningar
När en svets svalnar drar den ihop sig. Det ger två effekter som måste hanteras: deformation, att detaljen ändrar form, och egenspänningar, att spänningar byggs in i materialet utan yttre last. Båda går att begränsa men inte att ta bort helt.
Deformation styrs i första hand med fixturer som håller delarna på plats under svetsning och svalning. Svetsföljden spelar också roll. Genom att fördela värmen jämnt, svetsa i etapper och balansera svetsar på ömse sidor om en detalj håller man nere skevheten. Ibland förböjs eller förställs delarna medvetet så att de drar sig rätt när svetsen svalnar.
Egenspänningar är svårare att se men påverkar hållfastheten. Dragspänningar nära svetsen lägger sig ovanpå de spänningar som lasten ger och kan korta livslängden. I konstruktioner med höga krav avspänns delar ibland genom värmebehandling efter svetsning, men för stora ramar är det ofta opraktiskt. Då får man i stället räkna med egenspänningarna i dimensioneringen och hålla nere dem genom genomtänkt svetsföljd och rimlig värmetillförsel.
Kvalitetskrav och kontroll
Kraven på en färdig svets uttrycks ofta som en kvalitetsnivå enligt ISO 5817, som anger hur stora avvikelser som tillåts. Nivåerna betecknas B, C och D, där B är strängast. För utmattningsbelastade fogar i en maskinram väljs normalt en hög nivå, eftersom även små defekter vid svetstån kan starta en spricka.
För att nå en jämn kvalitet bygger tillverkningen på dokumenterade arbetssätt. En svetsdataspecifikation (WPS) enligt ISO 15609 beskriver hur en viss fog ska svetsas: metod, tillsatsmaterial, ström, spänning, förvärmning och svetsföljd. Specifikationen vilar på en kvalificering (WPQR) enligt ISO 15614, där man provsvetsar och provar resultatet innan metoden tas i bruk. Svetsarna ska vara prövade enligt ISO 9606 för de fogar och lägen de arbetar med.
Kontrollen av färdiga svetsar görs med oförstörande provning. Vilken metod som väljs beror på vilken typ av defekt man söker:
- Visuell kontroll (VT) fångar ytfel, felaktig form och synliga sprickor och görs på alla svetsar.
- Magnetpulverprovning (MT) hittar sprickor i och strax under ytan på magnetiskt material och är vanlig vid svetstån på utmattningsbelastade fogar.
- Penetrantprovning (PT) visar ytöppna defekter och används på material som inte är magnetiska.
- Ultraljudsprovning (UT) söker av defekter inne i godset och används på genomsvetsade fogar i grovt material.
- Radiografi (RT), röntgen, ger en bild av inre defekter men kräver mer utrustning och används mer sällan i fält.
Omfattningen, hur stor andel av svetsarna som provas och med vilken metod, styrs av konstruktionens krav och bestäms i förväg, inte i efterhand.
Reparation av skadade ramar
En sprucken ram skiljer sig från en ny på flera sätt. Sprickan har nästan alltid en orsak, oftast utmattning, och om bara sprickan svetsas igen utan att orsaken åtgärdas kommer den tillbaka. En hållbar reparation börjar därför med att förstå varför sprickan uppstod och om konstruktionen behöver förstärkas.
Själva lagningen kräver att hela sprickan tas bort innan ny svets läggs. Det görs genom mejsling, slipning eller fogning med kolbåge, tills rent material nås. Att svetsa ovanpå en kvarvarande sprickspets ger ingen hållbar fog. Materialet i en äldre ram är inte alltid känt i detalj, och då får man utgå från en försiktig bedömning av svetsbarheten och förvärma därefter.
Ute i fält tillkommer praktiska begränsningar. Det kan vara svårt att komma åt fogen, att hålla rätt förvärmning på en stor stålkropp och att skydda smältbadet mot väder. Dessa förhållanden påverkar både vilken metod som går att använda och vilken kvalitet som realistiskt går att nå. Av det skälet betraktas fältreparationer ofta som tillfälliga tills maskinen kan tas in för en mer kontrollerad åtgärd.
Branscher och användning
Svetsade ramar och chassin finns i de flesta tunga arbetsmaskiner. Inom anläggning gäller det grävmaskiner, hjullastare, dumprar och väghyvlar. Inom skogsbruk skördare och skotare, som dessutom utsätts för vridning i terräng. Inom gruvdrift stora truckar och lastare med mycket höga laster. Till detta kommer mobilkranar, materialhanterare och tunga jordbruksmaskiner. Gemensamt för dem är att ramen tar upp växlande laster under lång tid, och därför liknar svetsmetoderna varandra även om dimensioner och detaljer skiljer sig.
