Etter hvert som bilfabrikkene tar i bruk mer og mer avanserte stål, kommer advarsler fra metallurgene: sveiseteknikken må videreutvikles fordi gammeldags, høyenergi punktsveising kan ødelegge de nye stålenes kornstruktur – og styrke. Lasersveis er bedre. Avanserte GT- og sportsbiler (bildet over) blir i økende grad bygget av særlig høyfaste stål for å holde vekten nede samtidig som sikkerheten blir maks. Men slike stål kan altså trenge andre sveisemetoder enn gårdagens. (Foto: BMW)
Av Stein Bekkevold
Stål er rent jern tilsatt legeringselementer som øker styrke (fasthet) og tilbyr lavere vekt på det du lager av det. Jern og stål karakteriseres av at kornstrukturen sterkt påvirkes av oppvarming og nedkjøling.
Når du har tatt i bruk et avansert, mikrolegert finkornstål som er 24 ganger sterkere enn de kvalitetene Henry Ford brukte i Model T for 100 år siden, må du ta hensyn til stålets følsomhet for oppvarming og nedkjøling. Gjør du ikke det, kan du komme til å skape svake soner i materialet, akkurat der påkjenningene er størst. Dumt.
Mangfold
Det er jernmetallenes eventyrlige evne til egenskapsmangfold som har gjort dem så enormt populære i et par tusen år, minst. Egenskapene avhenger helt av mengden karbon i stålet. Stål som brukes i biler inneholder normalt ikke særlig mer enn 0,8 prosent karbon.
En miks av jern og karbon har en av to krystallstrukturer i fast form, gitter som atomene fordeler seg i – etter kjøling/stivning fra smeltetemperatur, ferritt og austenitt. Formen krystallgitteret får avhenger av temperatur, hvilke legeringselementer som er i stålet og mengden av dem.
Overgangen mellom ferritt og austenitt er svært viktig ved varmebehandling av stållegeringer, ettersom de to fasene har helt ulik evne til å ta opp karbon. Ved varmebehandling raffineres stålet videre til ønskede egenskaper. Og det er nettopp dette som ligger bak ønsket om kjapp, søm-formet og skånsom lasersveising snarere enn en mengde høyenergi punktsveiser, som dessuten skaper restspenninger i punktsveis-området. Det har også vist seg at søm-formet sveis gir bedre karosseristivhet, noe som er bra for sikkerhet og vibrasjonsdemping.
I økende grad sveises karosserier med laser fordi dette gir mindre negative forandringer i materialenes metallstruktur. Lasersveising – og liming – er fremtiden. (Foto: BMW)
Følsom legering
De nye høyfaste stålkvalitetene er slik formet at det i krystallgitteret av jernatomer sitter en rekke legeringselementer som sitter der på grunn av kontrollert oppvarming, holde-tid og nedkjøling/harding. Med holdetid menes tiden (i sekunder) da legeringen holdes på en gitt temperatur, for eksempel 750 grader C, før den kjøles med vann eller i luft til ny krystallstruktur er oppnådd.
Dette gjøres i flere trinn for at de stadig forandrede strukturene skal låses – holdes på plass. Til slutt foretas gjerne bråkjøling med vann, og legeringen – en blokk på hundrevis av tonn – er klar. Etter dette må platene valses ut under streng temperaturkontroll, og smeltende sammenføyning må skje under strengt kontrollerte former, ellers blir krystallgitteret forstyrret og fastheten (styrken) blir redusert.
Ergo er lasersveising bedre, fordi den dels skjer på et mindre område enn de store punktsveisene som settes med stor energi/varme, og dels fordi energitilførselen samlet sett er lavere.
Laser
Laser er ikke annet enn lys, konsentrert og ensfarget lys. Det oppstår ved at atomene – f.eks i en gass som CO2 – hisses opp av tilført energi og slipper løs en lyspartikkel – et foton. Mange av disse samles etter hvert og flyr frem og tilbake inne i laseren, som har et speil i den bakre enden og en linse i den andre.
Etter en viss tids surr samler laserlyset (fotonene) seg og fyker i en tynn stråle ut gjennom linsen. Slik blir energien konsentrert og når den treffer en gjenstand kan denne smelte, strålen til Lyn Gordon er et faktum ….
Det svenske spesialselskapet ESAB har forsket mye på seising med laser. En av deres eksperter sier at energitilførselen fra deres nye sveiselasere er omtrent 85 prosent lavere enn ved punktsveising av like brede flenser.
Derfor er restspenningene i området tilsvarende mye lavere, samtidig som oppvarmingstiden er så kort at stålkrystallene ikke rekker å omdannes. Svært godt nytt for de bilfabrikkene som nå satser for fullt på det nye stålet som kalles 2,5 Giga – fordi fastheten ligger på 2400 MPa – akkurat 24 ganger mer enn det Henry brukte i de 15 millioner T-Ford han satte verden på hjul med …
