Skopor, plogar, sopaggregat, gripar och liknande redskap till hjullastare, grävmaskiner och redskapsbärare arbetar i miljöer där abrasivt slitage och stötbelastning dominerar. Konstruktionerna kombinerar vanligen ett bärande chassi i konstruktionsstål med slitytor i härdat slitstål. Fogen mellan dessa material ställer höga krav på svetsförfarandet, och valet av metod påverkar i hög grad redskapets livslängd. Tillämpningarna sträcker sig från entreprenadmaskiner inom anläggning och gruva till fastighets- och miljöskötselsmaskiner som de redskapsbärare som beskrivs i Lundbergs redskapsprogram, där samma principer gäller även när dimensionerna är mindre och belastningen mer cyklisk.
Slitstålens uppbyggnad och konsekvenser för svetsning
Vanligast i sammanhanget är släckta och anlöpta martensitstål. Hardox, Quard, Raex och XAR är några varumärken med snarlika egenskaper. Klassbeteckningen anger ungefärlig hårdhet i Brinell, till exempel Hardox 400, 450 och 500. Mikrostrukturen består av martensit med inslag av bainit, vilket ger hög hårdhet och därmed god förslitningstålighet men också gör materialet känsligt för värmepåverkan vid svetsning.
När materialet värms över anlöpningstemperaturen förlorar det hårdhet i den värmepåverkade zonen (HAZ). Effekten är permanent och kan inte återställas annat än genom ny värmebehandling av hela komponenten. Resultatet blir att HAZ slits snabbare än grundmaterialet, och fogen blir därmed en svag punkt om värmetillförseln är hög eller om strängarna läggs så att HAZ blir bred. Ett annat svetsproblem som följer av mikrostrukturen är kallsprickor i HAZ, ofta orsakade av väte i kombination med dragspänningar och martensitisk hårdhet.
Kolekvivalenten (CEV eller CET) speglar härdbarheten och används för att uppskatta sprickrisken. CEV stiger normalt med stålets hårdhetsklass, från omkring 0,40 för en 400-klass upp mot 0,65 och högre för 500- och 550-klasserna. Tjockleken spelar in genom kylhastigheten, och tjocka sektioner kyler så snabbt att martensit bildas i HAZ även vid relativt låg kolhalt.
Kallsprickor och vätehantering
Kallsprickor uppstår genom tre samverkande omständigheter: löst väte i fogen, en härdbar mikrostruktur, och tillräcklig dragspänning. Vid svetsning av slitstål finns de två sista alltid närvarande, och vätet blir därmed den variabel som går att styra. Konkret innebär det att:
- Fogytorna ska vara torra och fria från olja, rost, färg och fukt.
- Elektroder och pulver torkas och förvaras enligt tillverkarens anvisning, med basiska elektroder (LH) som första val.
- För MIG/MAG väljs trådar och gas som ger låg vätenivå i svetsgodset.
- Förvärmning sänker kylhastigheten och ger vätet tid att diffundera ut innan fogen kallnar.
Sprickorna uppträder ofta först några timmar eller dygn efter svetsning. Av den anledningen rekommenderas ofta efterförvärmning, alltså att fogen hålls vid förhöjd temperatur ett par timmar efter avslutad svetsning, för att öka vätets diffusion. Vid tjocka sektioner och högre hårdhetsklasser är detta normal praxis.
Förvärmning
Förvärmningstemperaturen bestäms av plåttjocklek, kolekvivalent, väteinnehåll och planerad värmetillförsel. Tillverkarna publicerar diagram och tabeller som täcker dessa parametrar. För Hardox 400 i tjocklek 10 till 20 mm ligger förvärmningen normalt mellan 75 och 125 °C. Vid 500-klassen och tjocklekar över 20 mm hamnar nivån oftare på 150 till 175 °C. Lokala förhållanden påverkar: vid omgivningstemperaturer under noll grader höjs nivån, liksom vid blåsiga utomhusmiljöer.
När slitstål svetsas mot konstruktionsstål dimensioneras förvärmningen efter det stål som ställer högst krav, alltså slitstålet. Det är vanligt att räkna fram CEV för respektive material och välja förvärmning utifrån det högre värdet. Vid tunnare slitplåtar mot grova grundkonstruktioner är värmebortledningen i grundmaterialet ofta den styrande faktorn, och uppvärmningen ska då omfatta även konstruktionsstålet i tillräcklig omfattning kring fogen.
Mellanlagstemperaturen (interpass) ska normalt ligga under en övre gräns för att inte mjukgöra HAZ ytterligare. För 400-klassen rekommenderas typiskt under 225 °C och för högre klasser ned mot 175 °C. Att hålla interpass nära förvärmningsnivån ger ofta jämnast resultat.
Värmetillförsel och HAZ
Värmetillförseln beräknas som Q = (U × I × 60) / (v × 1000) × η, där U är spänning i volt, I är ström i ampere, v är trådhastighet i mm/min och η är processens termiska verkningsgrad. För MAG och MMA är η omkring 0,8 enligt EN 1011-1, och för UP (pulverbåge) ligger den högre.
Hög värmetillförsel ger bred HAZ och kraftigare mjukgöring. Tillverkarnas riktvärden för Hardox-svets brukar ligga under 1,0 kJ/mm för tunnare plåtar och under 1,7 kJ/mm för tjockare sektioner. I praktiken styrs detta genom hastighet och strängstorlek snarare än ström. Flera tunna strängar ger normalt smalare HAZ än en grov sträng med samma totala fogarea.
I konstruktioner där fogen utsätts för slitage prioriteras smal HAZ. I konstruktioner där fogen i första hand är dimensionerad för mekanisk last, exempelvis fästesplåtar bakom slitskär, väger statisk hållfasthet tyngre och högre värmetillförsel kan accepteras.
Tillsatsmaterial
Tillsatsmaterialet väljs oftast undermatchat, det vill säga med lägre sträckgräns än grundmaterialet. Skälet är att ett mer duktilt svetsgods ger bättre möjlighet att fördela restspänningar och därmed lägre risk för kallsprickor. För konstruktioner där fogen står för bärigheten kan matchat svetsgods användas, men då stiger kraven på förvärmning och vätekontroll.
Vanliga val för MAG-svetsning av slitstål är ER70S-6 (Mn-Si-legerad) och vid behov av högre hållfasthet ER80S-G eller ER80S-D2. Vid pinnsvets används basiska LH-elektroder enligt EN ISO 2560 (E42, E46, E50 beroende på krav). För fyllningssträngar i grova fogar kan rörtråd typ E71T-1 eller motsvarande användas, under förutsättning att väteinnehållet hålls under kontroll.
För hardfacing, alltså påläggssvetsning av slitytor, används kromkarbidlegerade rörtrådar eller pulverbåge. Resultatet är ett slitskikt med hårdhet på 55 till 65 HRC, vanligen utfört i mönster av sträng eller rutnät för att kontrollera värmespänningar och underlätta avbrott av karbidbanor. Pålägget är inte avsett att vara fritt från sprickor; sprickbildningen är en del av funktionen så länge sprickorna stannar i pålägget och inte propagerar in i grundmaterialet.
Fogformer och sektioner i typiska redskap
En grävskopa eller lastskopa består normalt av en bottenplåt, sidoplåtar, en baksida och ett framskär. Slitstål används i framskäret och i de delar som har kontakt med materialet, medan baksida och konsoler ofta utförs i konstruktionsstål av typen S355 eller S690. Övergångarna mellan dessa material är de fogar som ställer högst krav på svetsförfarandet.
Tjocklekarna varierar med maskinstorlek. För redskap till mindre redskapsbärare i 4 till 8 tons klass ligger plåttjocklekarna i skopor och blad ofta mellan 6 och 12 mm. Större entreprenadskopor använder 15 till 25 mm. Plogblad till väghållning ligger normalt på 16 till 20 mm i Hardox 450 eller 500. Sopaggregat och borstfästen har lägre slitstålskrav och utförs ofta i tunnare plåt, ibland med utbytbara slitlister.
Fogformerna styrs av tjocklek och tillgänglighet. För stumfog i 10 till 20 mm används V-spår om åtkomsten är ensidig och X-spår om båda sidor är tillgängliga. X-spår ger jämnare värmefördelning och mindre vridning, och rekommenderas där det är möjligt. Kälsvets används vid montering av slitplåtar mot grundkonstruktion, ofta utförda som intermittent fogning (stitch) för att hålla nere värmetillförseln och samtidigt ge tillräcklig fästning.
Vid montering av utbytbara delar, som framskär och tandhållare, är konstruktionen vanligen anpassad för demontering. Skären svetsas eller bultas på fästen som är dimensionerade att tåla upprepade byten. Fästenas svetsfogar är därför ofta överdimensionerade i förhållande till maskinens nominella belastning, för att klara den ackumulerade utmattningen över flera skärbyten.
Vanliga defekter och hur de undviks
Kallsprickor uppträder oftast i HAZ eller i rotsträngen, och syns inte alltid vid okulärbesiktning. Magnetpulverprovning eller penetrantprovning är de vanliga metoderna för ytdefekter, och ultraljud för inre defekter. Smältsprickor (varma sprickor) är mindre vanliga i slitstål men kan uppstå vid hög stelningsspänning, ofta i kratrar eller vid fogslut. Andra återkommande problem är bristfällig rotgenomträngning, slagginneslutningar och porer från fuktiga eller smutsiga fogytor.
Förvridning är en praktisk fråga snarare än en kvalitetsfråga, men påverkar passningen vid montering. Skopor och blad svetsas ofta i fixturer och med planerad strängordning för att hålla geometrin inom toleranser. Värmeriktning i efterhand bör utföras med försiktighet, eftersom temperaturer över anlöpningsnivån ytterligare mjukgör slitstålet.
Svetsningen för härdbarhet och geometri
Svetsning av slitstål i skopor och redskap är ett samspel mellan materialets härdbarhet, fogens geometri och de svetsparametrar som styr värme- och vätenivåer. Förvärmning och vätehantering styr kallsprickrisken mer än övriga åtgärder, medan värmetillförsel och strängläggning styr hur bred och mjuk den värmepåverkade zonen blir. Tillsatsmaterialets hållfasthet väljs efter konstruktionens behov och är normalt undermatchad. Dimensioneringen följer en logik där slitytor är utbytbara och fästen överdimensioneras för upprepade byten. Standarderna EN ISO 3834, 15614 och 5817 utgör det normala ramverket för utförande och kvalificering. När dessa moment hanteras enligt tillverkarnas anvisningar och gällande standarder uppnås redskapets förväntade livslängd, både i tunga entreprenadtillämpningar och i mindre maskiner för fastighets- och miljöskötsel.
