Akademin för Innovation, Design och Teknik Fasta förband metaller PM 1,5 Högskolepoäng Kurs KPP039 Produktutveckling 3 HT2010 Skrivet av: Sista revideringsdatum: 2011-01-08 Examinator: Rolf Lövgren
INNEHÅLL Inledning... 3 Materialbetingande... 4 Svetsförband... 4 Allmänt... 4 Mma svetsning... 4 Mig/mag svetsning... 4 Tig svetsning... 5 Punktsvetsning... 5 Lödförband... 6 Allmänt... 6 Mjuklödning... 6 Hårdlödning... 6 Svettning... 6 Limförband... 7 Allmänt... 7 Enkomponentslim... 7 Tvåkomponentslim... 7 Formbetingande... 8 Nitförband... 8 Snäppförband... 8 Källor... 9 2
INLEDNING I kursen KPP039 produktutveckling 3 så ska ett PM skrivas med ett ämnesområde kring produktutveckling. Jag har valt att fokusera på ämnet fasta förband i metaller, som är en viktig del inom tillverkningsmetoder när komponenter ska sättas ihop. Det finns även ett område som kallas lösa förband, vilket behandlar skruvar osv. Men som sagt jag ska fokusera på fasta förband, då jag personligen vill lära mig mer inom detta område. Fokus i detta PM ligger på två ämnesområden, materialbetingande samt formbetingande. Inom materialbetingande kommer svetsning, lödning samt limning att behandlas. Inom formbetingande kommer nitförband och snäppförband att gås igenom. Det finns såklart även fler metoder för fasta förband, men detta är det stora områdena som används mest inom tillverkningsprocesser. Ämnesområdena är valda utifrån bilden nedan, som Swerea IVF har gett ut. 3
FASTA FÖRBAND MATERIALBETINGANDE SVETSFÖRBAND ALLMÄNT Svetsning är en metod som sker genom att använda en mycket hög temperatur, så att materialet som ska sammanfogas smälter och således skapar ett starkt permanent förband. Värmen skapas av elektricitet som går ut till materialet via en elektrod. Genom att smälta materialet i fogen, och eventuella tillsatsmaterial (lod), skapas ett sammanhängande material och en enhet erhålls. Svetsning ger för det mesta mycket god hållfasthet, men på grund av den höga temperaturen kan materialen skadas vilket kan skapa sprickor och försämra utmattningshållfastheten. Nedan gås de vanligaste svetsmetoderna igenom. MMA SVETSNING MMA kallas även manuell metallbågsvetsning, som är en mycket vanlig svetsmetod. Elektroden skapar värmen och innehåller tillsatsmaterial som förbrukas under svetsningen. Tillsatsmaterialet gör att en skyddsatmosfär skapas under svetsningen som skyddar ljusbågen samt fogen. Det negativa med denna metod är att elektroden måste bytas ut ofta eftersom den förbrukas, samt att slagg bildas som måste tas bort om flera svetssträngar görs. MIG/MAG SVETSNING Vid denna typ av svetsning så används gaser som tillsatsmaterial och elektroden matas ut i form av en tråd. Vid MIG tillförs skyddsgas som argon och helium. Vid MAG så är skyddsgasen koldioxid, men ibland med en viss inblandning av argon som jämfört med MIG löser problemet med avkolning i fogen. Eftersom tillsatsmaterialet i form av gas tillförs utanför elektroden i denna typ av svetsning så blir svetsfogen ren och till stor del fri från slagg. Denna typ av svetsning kan göras både automatiskt eller manuellt och det som skiljer från MMA är att svetsfogen blir bättre, men metoden är dyrare. 4
TIG SVETSNING Till skillnad från MIG/MAG så är elektroden tillverkad i volfram och förbrukas inte. Istället matas en tråd fram vid elektroden som fungerar som tillsatsmaterial. Men även en skyddsatmosfär erhålls genom argonoch/eller helium-gas. I och med denna metod så separeras elektrod samt tillsatsmaterial, vilket skapar en enklare svetsprocess som kan styras bättre. Metoden skapar även rena svetsfogar utan slagg och kan precis som MIG/MAG ske både manuellt eller automatiserat. Det vanligaste användningsområdet är svetsning av tunnplåtar, upp till en godstjocklek på 10 mm. PUNKTSVETSNING I denna metod så överlappas två plåtar som ska sammanfogas och två elektroder håller ihop materialet. Sedan förs en ström igenom elektroderna vilket gör att materialet mellan elektroderna smälter samman. Elektroderna är vattenkylda så att de inte skadas eller smälter. Eftersom materialet är sammanpressat så behövs ingen skyddsgas då smältan/fogen ej kommer i kontakt med luft. Det behövs inte heller något annat tillsatsmaterial, vilket gör denna metod behändigare. Dock åtgår det mycket energi för att skapa den kraftiga elektriska strömmen genom elektroderna. Det vanligaste användningsområdet är bilindustrin, eftersom punktsvetsning är lätt att automatisera. En bilkaross sätts ihop med flera tusen punktsvetsar. 5
LÖDFÖRBAND ALLMÄNT Lödning är en metod där ett annat material än komponenterna smälts på plats och sammanfogar materialet. Materialet kallas lod och har en lägre smältpunkt än materialet som ska sättas ihop, så det kan liknas vid limning. För att kunna löda ihop något material måste ytorna vara rena och fria från oxid. Således för att undvika oxid tillför man ett flussmedel vid lödning så att lödningen blir stark och bra. Lödning är en bra metod att använda om höga temperaturer vill undvikas då det i vissa fall som i svetsning kan förstöra de material som ska sammanfogas. Det finns tre vanliga lödmetoder, som gås igenom nedan. MJUKLÖDNING Detta är en lågtemperaturprocess där smälttemperaturen i loden ej är över 450 grader. Oftast erhålls en sämre hållfasthet vid mjuklödning, men samtidigt erhålls låg temperatur som ej riskerar att skada omgivande material. Denna metod används mycket vid elektronikmontering där låg värmeutveckling önskas men samtidigt bra elektrisk ledningsförmåga. Mjuklödningsprocessen är både billig samt flexibel och kan användas lika bra i små serier som i stora serier vid komponenttillverkning. Oftast vid mjuklödning används bly som lodmaterial, men av hälsoskäl undviks det allt mer och andra material väljs. HÅRDLÖDNING Hårdlödning är till skillnad från mjuklödning en högtemperaturprocess där smälttemperaturen i loden är över 450 grader. Fortfarande har loden en lägre smältpunkt än det material som ska sammanfogas, men eftersom temperaturskillnaden är mindre än i t.ex mjuklödning så är denna process lite svårare och komplicerad. Det är viktigt att spalten där fogen ska smältas har ett avstånd mellan 0.02 till 0.2 mm, så att fogen blir stark. Vanliga material som används till fogen är mässing, brons eller silver. Det vanligaste användningsområdet är kopparrör som ska sammanfogas/skarvas eller vid montering av mekaniska komponenter. SVETTNING Notera att denna metod kallas just svettning och ej ska förknippas med svetsning. Vid svettning så läggs loden på de olika komponenterna som ska sammanfogas innan det förs samman. Loden svalnar och sedan förs komponenterna samman och fixeras. Därefter värmer man ytterligare på loden så att de smälter samman och komponenterna sitter därefter fast i varandra. Det görs framförallt när det är svårt att komma åt att löda eller det är andra komplikationer som gör att loden måste läggas på var för sig innan sammanfogning. 6
LIMFÖRBAND ALLMÄNT Limförband används i stor utsträckning och framförallt när ingen annan variant av förband går att använda. Denna typ av förband bygger på att limmet har lägre ytspänning än materialet som sammanfogas. Således fästs materialet och blir mycket starkt vid övergången. Vid limning behövs det ej borras och inget material sticker upp som det gör vid t.ex nitning. Limning är även elektriskt oledande vilket förhindrar korrosion, men limmet täcker även en stor yta så att påfrestningar fördelas maximalt. Men det finns även nackdelar med limförband. Lim klarar oftast inte högre temperaturer samt att lim är ur hälsoperspektiv oftast farligt. Vid limning krävs det även att ytorna som ska sammanfogas är rena och har en viss ytstruktur så att ytspänningen blir rätt. De två vanligaste typerna av lim är enkomponentslim samt tvåkomponentslim, vilket gås igenom härefter. ENKOMPONENTSLIM Denna typ av lim bygger på att en enda lösning behöver användas och kan appliceras på de material som ska sammanfogas. Limmet härdar genom att lösningsmedlet i limmet avdunstar och lämnar kvar en stark limbas. Det finns även lim som härdar genom värme eller UV-ljus, men också lim som härdar genom syre i luften och fungerar då närmast som ett tvåkomponentslim eftersom syret fungerar som härdare. Ofast är enkomponentslim lite svagare än tvåkomponentslim, men enklare att använda. TVÅKOMPONENTSLIM Vid limning av tvåkomponentslim används två olika ämnen som vid sammanblandning härdar och skapar ett starkt förband. De två ämnena kallas bas och härdare och när de blandas påbörjas en kemisk reaktion där de två materialen härdar och stelnar. Således behövs inte luft för härdning, utan de sköter den kemiska reaktionen mellan bas och härdare. Härdningstiden är olika beroende på vilka ämnen som används, men när väl härdningen påbörjats är det mycket svårt att stoppa den. De flesta tvåkomponentslim är vattentåliga och mycket starka. Om en limfog ska lösas upp måste den värmas upp mycket för att limmet ska börja plasticeras. Dock så riskeras materialet som limmats att skadas, därav är det mycket viktigt att limningen görs rätt från första början och ej behöver lösas upp. 7
FORMBETINGANDE NITFÖRBAND Nitförband kallas även nitning och är en typ av förband där två komponenter sammanfogas med hjälp av en nit. Det finns olika typer av niter, några som kan nämnas är blindnit, nitnagel, sprängnit osv. Den vanligaste typen av nitning görs genom att materialet genomborras, sedan förs niten in och pressas samman vilket skapar en större yta än hålet på båda sidor av materialet. Styrkan i förbandet avgörs främst av friktionen mellan de sammanpressade materialen. Det vanligaste användningsområdet för nitning är fartygskonstruktioner samt broar. Bilden nedan visar några olika typer av nitningar som kan göras. SNÄPPFÖRBAND Denna typ av förband är en vanlig metod när två profiler av något slag ska kopplas samman. Det bygger på att kanter och profiler skapas som låser ihop varandra när de sammanförs. Det finns två varianter av förband, dels de som enkelt ska kunna öppnas igen utan deformation samt den variant där materialet deformeras om de ska delas efter ihopsättning. Oftast behövs bara någon tiondels millimeter rörelse för att utföra snäppförbandet, men det gör också att förbandet kräver en bra samt mycket noggrann konstruktion. Nedan bild visar exempel på två olika snäppförband av aluminiumprofiler. 8
KÄLLOR Johannesson, Hans, Persson Jan-Gunnar, Pettersson, Dennis 2004. Produktutveckling effektiva metoder för konstruktion och design. Stockholm: Liber. Högskolan på Gotland, 2010-12-30 http://mainweb.hgo.se/inst/designok.nsf/0/c345ff3fd7058915c1256fe40029e37a/$file/f 6_pdf.pdf?openelement Wikipedia, 2010-12-30, http://sv.wikipedia.org/wiki/lim Wikipedia, 2010-12-30, http://sv.wikipedia.org/wiki/nitning Wikipedia, 2010-12-30, http://sv.wikipedia.org/wiki/l%c3%b6dning Profilgruppen, 2010-12-30, http://www.profilgruppen.se/?id=634&ao=fordon&aid=33&l2=550&ctx=550 Swerea IVF, 2010-12-30 http://lotsen.ivf.se/konslotsen/bok/kap2/tillverkningsmetoder.html Svetskommissionen, 2011-01-02 http://www.svets.se/tekniskinfo/svetsning/metoder/magmiggasmetallbagsvetsning.4.ec944 110677af1e8380009917.html 9