En svets kan vara korrekt utförd och ändå lämna efter sig en konstruktion som inte längre har samma form som före svetsningen. En plåt kan bukta, en balk kan böja sig och två ytor som tidigare stod i 90 grader kan få en tydlig vinkelavvikelse.
Orsaken är den ojämna uppvärmning och avsvalning som sker under svetsprocessen. Materialet närmast svetsen expanderar när det värms upp och krymper när det svalnar. Eftersom resten av konstruktionen begränsar rörelsen uppstår både egenspänningar och permanenta geometriska förändringar.
Att konstruktionen har förändrats går att se i vissa fall. Men för att avgöra hur stor förändringen faktiskt är behöver den mätas mot definierade referenser.
Vad menas med svetsdeformation?
Svetsdeformation är den permanenta förändring av en detaljs eller konstruktions geometri som uppstår i samband med svetsningen.
Förändringen kan uppträda på flera sätt:
- längsgående krympning
- tvärgående krympning
- vinkeldeformation
- böjning
- vridning
- lokal buckling eller vågighet
- förändrad planhet eller rakhet
Vilken typ som dominerar beror bland annat på konstruktionens geometri, godstjocklek, fogtyp, värmetillförsel, svetsföljd och hur detaljen är fixerad under arbetet.
En lång svets placerad på ena sidan av en relativt tunn plåt kan exempelvis få hela detaljen att böja sig. En kälsvets mellan två plåtar kan i stället dra ihop konstruktionen så att vinkeln mellan plåtarna förändras.
Problemet blir viktigt när den färdiga detaljen ska monteras mot andra komponenter, bearbetas i ett efterföljande steg eller uppfylla snäva geometriska toleranser.
För att mäta förändringen behöver man veta hur konstruktionen såg ut före svetsningen
Det finns en viktig skillnad mellan att kontrollera en färdigsvetsad detalj och att mäta själva svetsdeformationen.
Om konstruktionen endast mäts efter svetsning går det att avgöra om slutmåttet ligger inom ritningens toleranser. Däremot går det inte säkert att säga hur stor del av avvikelsen som orsakades av svetsningen.
En plåt kan till exempel ha varit något skev redan innan arbetet började.
För att mäta svetsningens faktiska påverkan behöver därför samma geometri helst registreras både före och efter svetsningen.
Principen är enkel:
deformation = mått efter svetsning − mått före svetsning
Om avståndet mellan två referenspunkter är 1 000,0 mm före svetsning och 998,8 mm efter svetsning har konstruktionen krympt 1,2 mm mellan dessa punkter.
För en komplicerad konstruktion räcker det däremot sällan med ett enda mått. Där behöver flera punkter, linjer eller hela ytor jämföras.
Börja med de mått som faktiskt är viktiga
Det är sällan nödvändigt att mäta varje möjlig dimension på en svetsad konstruktion.
Utgångspunkten bör vara ritningen och detaljens funktion.
Frågor som är relevanta är exempelvis:
- Vilka ytor ska senare monteras mot andra komponenter?
- Vilka hålbilder måste passa?
- Vilka ytor ska vara plana?
- Vilka längd- och breddmått är kritiska?
- Finns krav på rakhet eller parallellitet?
- Vilka vinklar påverkar funktionen?
- Ska konstruktionen bearbetas efter svetsning?
Det är dessa egenskaper som bör definiera mätpunkterna.
ISO 13920:2023 kan användas för generella toleranser på svetsade konstruktioner när detta anges i tillverkningsunderlaget. Standarden omfattar bland annat längd- och vinkelmått samt geometriska egenskaper som rakhet, planhet och parallellitet.
Det är dock alltid konstruktionens funktion och de krav som anges på ritningen som styr vad som behöver kontrolleras.
Referenserna måste vara desamma före och efter svetsning
En mätning blir bara användbar om före- och eftermätningen utgår från samma referenssystem.
På en ramkonstruktion kan exempelvis tre definierade anläggningsytor användas som referenser. Hålcentrum, hörnpunkter eller bearbetade ytor kan också fungera som fasta mätpunkter.
Referenserna bör väljas efter hur detaljen senare ska användas.
Detta blir särskilt viktigt vid digital 3D-mätning. Två punktmoln kan matematiskt passas ihop med en så kallad best fit, men en sådan inpassning kan fördela avvikelsen över hela konstruktionen och därmed göra resultatet svårare att tolka.
Om konstruktionen i verkligheten monteras mot tre bestämda ytor bör även mätningen så långt det är möjligt använda dessa som referenser.
Då visar mätningen den geometri som faktiskt spelar roll vid monteringen.
Enkel kontroll med rätskiva, mätklocka och handverktyg
All svetsdeformation kräver inte avancerad 3D-mätning.
På mindre eller relativt enkla konstruktioner kan vanliga verkstadsmätningar ge tillräckligt bra information.
Längdmått kan kontrolleras med exempelvis skjutmått, mikrometer eller andra längdmätande instrument beroende på måttets storlek och tolerans.
Vinkelavvikelser kan mätas med vinkelmätare eller digital lutningsmätare.
Rakhet och lokal skevhet kan kontrolleras med en rätskiva tillsammans med bladmått. En annan metod är att låta en mätklocka löpa över detaljen från en definierad referens.
För större konstruktioner kan mätpunkter registreras med höjdmätare, laser eller annan optisk mätutrustning.
Fördelen med dessa metoder är att de är relativt snabba och enkla att använda i produktionen. Nackdelen är att de normalt endast beskriver konstruktionen i ett begränsat antal punkter.
En lokal buckla mellan två mätpunkter kan därför missas.
Koordinatmätmaskin ger noggrann kontroll av mindre detaljer
När toleranserna är små och detaljen får plats i en koordinatmätmaskin, CMM, kan geometrin mätas i ett tredimensionellt koordinatsystem.
Maskinen registrerar punkter på exempelvis:
- hål
- kanter
- plana ytor
- cylindrar
- referenspunkter
- bearbetade anläggningsytor
Utifrån punkterna går det sedan att beräkna avstånd, vinklar, positioner, planhet och andra geometriska egenskaper.
CMM-mätning passar särskilt bra när den svetsade detaljen senare ska bearbetas eller monteras mot komponenter med relativt små toleranser.
Metoden gör det också möjligt att använda samma mätprogram på flera exemplar och på så sätt följa hur deformationen varierar mellan olika produktionsserier.
3D-skanning visar deformationen över hela ytan
För större eller geometriskt komplicerade svetsade konstruktioner är 3D-skanning ett användbart alternativ.
En laserskanner eller optisk 3D-skanner registrerar ett stort antal punkter över detaljens yta och skapar ett så kallat punktmoln.
Om konstruktionen skannas före och efter svetsning kan de två geometrierna jämföras.
Resultatet kan visas som en färgkarta där olika färger motsvarar hur långt den färdiga ytan har flyttat sig från referensgeometrin.
Det gör det lättare att upptäcka exempelvis:
- lokal buckling
- bågform hos en lång balk
- vridning i en ram
- vinkelförändringar
- områden där plåt har dragit sig mot en svets
- deformationer som ligger mellan traditionella mätpunkter
Just möjligheten att mäta hela ytan är en stor fördel. Två konstruktioner kan ha samma mått mellan ändpunkterna men ändå ha helt olika form mellan dessa punkter.
Vid 3D-skanning behöver man däremot vara noggrann med hur före- och eftermätningen riktas mot varandra. Annars finns risken att en del av deformationen försvinner i den matematiska inpassningen.
Lasertracker passar stora konstruktioner
När konstruktionen är för stor för en traditionell mätmaskin kan en lasertracker användas.
Systemet mäter tredimensionella koordinater för utvalda punkter på konstruktionen och kan användas på exempelvis:
- större maskinstativ
- svetsade ramar
- chassikonstruktioner
- balksystem
- fixturer
- större industrikomponenter
Genom att placera mätpunkter på strategiska platser går det att följa hur konstruktionen har krympt, böjt eller vridit sig.
Lasertracker ger inte automatiskt samma täta ytinformation som en fullständig 3D-skanning, men är användbar när kritiska punkter behöver mätas över stora avstånd i ett gemensamt koordinatsystem.
Fotogrammetri kan användas när många punkter ska registreras
Fotogrammetri bygger på att en serie bilder tas från olika positioner. Med kända referenser kan programvara sedan beräkna tredimensionella koordinater.
Metoden är intressant för större konstruktioner där många punkter behöver registreras utan fysisk kontakt med arbetsstycket.
Det finns även mer avancerade optiska metoder, exempelvis digital bildkorrelation, DIC, som kan följa hur en yta rör sig och deformeras över tid.
Sådana system används framför allt när själva deformationsförloppet är intressant och inte enbart slutformen efter svetsning.
För vanlig produktionskontroll är däremot traditionell mätning, CMM, lasertracker eller 3D-skanning normalt lättare att integrera i det dagliga arbetet.
Mät inte detaljen medan fixturen fortfarande håller den rak
En vanlig fallgrop är att kontrollera geometrin medan konstruktionen fortfarande sitter hårt inspänd i svetsfixturen.
Fixturen kan då hålla tillbaka en del av deformationen.
När spännena öppnas frigörs egenspänningar och detaljen kan röra sig. Det är alltså möjligt att en konstruktion ser korrekt ut i fixturen men hamnar utanför tolerans direkt efter urspänning.
Om syftet är att kontrollera detaljens slutliga fria geometri bör den därför mätas efter att den har lossats på det sätt som mätinstruktionen anger.
Fixturmätning kan fortfarande vara värdefull, men den svarar på en annan fråga: hur detaljen beter sig medan den är fixerad.
Temperaturen påverkar mätresultatet
Mätning direkt efter avslutad svetsning kan också ge ett missvisande resultat.
Metallen är fortfarande varm och har därför andra dimensioner än när konstruktionen har svalnat. Dessutom kan olika delar av arbetsstycket ha olika temperatur.
En lång stålkonstruktion kan förändra sitt mått mätbart enbart på grund av temperaturskillnaden.
Jämförande mätningar bör därför göras under så lika temperaturförhållanden som det praktiskt går, och kritiska slutmätningar bör normalt ske först när konstruktionen har nått ett definierat temperaturtillstånd.
Vid noggrann mätning bör temperaturen dokumenteras tillsammans med resultatet.
Ett fåtal mått kan missa den verkliga formen
Anta att en två meter lång balk mäts från ena änden till den andra och fortfarande har rätt totallängd efter svetsningen.
Det betyder inte automatiskt att balken är rak.
Mitten kan ha böjt sig flera millimeter åt sidan samtidigt som avståndet mellan ändpunkterna nästan är oförändrat.
Samma problem finns vid kontroll av plåtar. Fyra hörn kan ligga rätt medan området mellan dem har buktat.
Därför behöver antalet mätpunkter anpassas efter vilken typ av deformation som kan förväntas.
Ju mer komplicerad geometrin är, desto större blir fördelen med en mätmetod som registrerar hela ytor eller flera tredimensionella punkter.
Svetsdeformation och egenspänningar är inte samma sak
Det är också viktigt att skilja mellan deformation och egenspänningar.
Deformation beskriver hur konstruktionens geometri har förändrats.
Egenspänningar är mekaniska spänningar som finns kvar i materialet efter att svetsningen och avsvalningen är avslutad.
En konstruktion kan därför ligga inom samtliga måttoleranser och samtidigt innehålla betydande egenspänningar. På samma sätt kan en detalj ha en tydlig geometrisk deformation utan att en vanlig dimensionsmätning säger något om hur spänningarna är fördelade inne i materialet.
Mätning av svetsdeformation ska alltså inte betraktas som en mätning av egenspänning.
Vanliga fel vid mätning av svetsdeformation
Endast den färdiga detaljen mäts
Det visar slutgeometrin men inte hur mycket av avvikelsen som faktiskt uppstod under svetsningen.
Referenspunkterna ändras mellan mätningarna
Före- och eftervärdena blir då svåra att jämföra.
Konstruktionen mäts varm
Temperaturutvidgning blandas ihop med permanent deformation.
Detaljen sitter fortfarande fastspänd
Fixturen kan hålla tillbaka deformation som blir synlig först efter urspänning.
För få punkter mäts
Lokal buckling, bågform eller vridning kan passera mellan mätpunkterna.
En 3D-skanning passas in utan genomtänkta referenser
En matematisk best fit kan göra en snygg jämförelse men samtidigt dölja den förskjutning som är viktig för konstruktionens verkliga funktion.
Mätdata gör det möjligt att påverka processen
Den största nyttan kommer när mätningen inte bara används för att godkänna eller underkänna en färdig detalj.
Om deformationen registreras på flera tillverkade exemplar går det att börja se mönster.
Drar sig samma hörn alltid uppåt efter sista svetsen? Krymper ramen konsekvent i längdriktningen? Uppstår vridningen först när svetsarna på ena sidan läggs?
Då kan svetsprocessen förändras och resultatet mätas igen.
Åtgärder kan exempelvis vara:
- ändrad svetsföljd
- mer balanserad placering av svetsarna
- förändrad värmetillförsel inom kvalificerade svetsdata
- förändrad häftsvetsning
- annan fixturering
- kontrollerad förspänning av detaljen
- ändrad foggeometri
- bättre kontroll av spalt och passning
- längre svalning mellan vissa svetsoperationer
På så sätt blir mätningen en del av processutvecklingen i stället för enbart en slutkontroll.
En bra mätning börjar före den första svetsen
För att kunna säga hur mycket en konstruktion faktiskt har förändrats efter svetsning behöver mätningen planeras innan arbetet börjar.
Bestäm vilka mått och geometriska egenskaper som är funktionellt viktiga. Välj tydliga referenser och registrera utgångsläget. Genomför därefter svetsningen och mät konstruktionen igen under definierade förhållanden.
För enkla detaljer kan rätskiva, vinkelmätare och vanliga mätinstrument vara fullt tillräckliga. När konstruktionen blir större, mer komplex eller har snävare toleranser kan CMM, lasertracker eller 3D-skanning ge betydligt mer information.
Det viktiga är inte att välja den mest avancerade mättekniken. Det viktiga är att mäta rätt geometri, från samma referenser och under jämförbara förhållanden.
Först då går det att skilja en allmän måttavvikelse från den förändring som själva svetsprocessen har orsakat – och använda resultatet för att bygga en mer stabil svetsprocess.
