2008:036 civ examensarbete1025622/fulltext01.pdf · 2016. 10. 4. · institutionen för tillämpad...

2008:036 CIV

E X A M E N S A R B E T E

Tätkontroll och tätkrav för gjutnaartiklar inom fordonsindustrin

Enbuske David Olofsson Johan

Luleå tekniska universitet

Civilingenjörsprogrammet Maskinteknik

Institutionen för Tillämpad fysik, maskin- och materialteknikAvdelningen för Maskinelement

2008:036 CIV - ISSN: 1402-1617 - ISRN: LTU-EX--08/036--SE

Tätkontroll och tätkrav för gjutna artiklar inom fordonsindustrin

David Enbuske och Johan Olofsson, ht-07 Institutionen för tillämpad fysik, maskin- och materialteknik, Luleå tekniska universitet

- i -

Abstract This Master thesis was carried out as a crossover project between Scania R&D - Engine Development and engine assembly in Södertälje, Sweden, during the fall semester 2007. The work was mostly performed at the assembly site Scania Engine 2 in Södertälje. This thesis completes the M.Sc. degree in Mechanical Engineering (ME) at Luleå University of Technology. The title for the thesis is "Leak Testing and Leak Specifications for Cast Components within the Automotive Industry".

Leakages is apart from performance the most contributing factor for that approximately 10 % of all the engines assembled at the engine assembly sites doesn't get approved after the test-run right after the assembly line. These failed engines have to be repaired which increases the costs due to longer time to customer and large amount of waste within the assembly site. The leakages are most frequently caused by poor dressings or porosities in castings. The porosities may cause leakages of gases or liquids through the cast material. Cast aluminium components in the engine's cooling system are dominating this type of leakages by far. These aluminium components are cast and machined exclusively by external suppliers whom also have to ensure the quality of their products before delivering to Scania, e.g. through leak testing. The leak testing process is although often very insufficient which together with traditionally low requirements on the drawing leak specifications contributes to a lot of man hours spent on failing products. The thesis is focused on improving the significance of the drawing leak specification for cast materials by standardizing the work procedure for the designer when specifying the tightness requirement, and also by improving the leak testing methods and the usage of measuring apparatus among Scania’s external suppliers. A major part of the project was focused on the development of a leak testing method using vacuum for lowering the need of high clamping forces when testing large sized components. The vacuum method was implemented at a couple of suppliers during the project and is included in the Technical Regulation for cast components constructed during the thesis. The regulation is intended to be used by the supplier when performing leak testing in connection with their manufacturing process by stating requirements and recommendations for non-destructive leak testing. An instruction for the designer when specifying the tightness requirement was also made containing new generally applying requirements for each material and medium and also containing a new standard for how to set the specific tightness requirement for cast components and thus it is replacing the old Scania standard STD1885. This new drawing standard differs from the old version mainly on one major point by stating how the tightness requirement has to be controlled by making a feedback link to the technical regulation. This will enhance the significance of the drawing leak specification.

It was showed in the project that by using relatively simple means it is possible to achieve reliable measurements when using pressure measuring testing on as tough requirements as valid for aluminium components within the cooling system even for rather large components. An important conclusion made is that the waste level for the external suppliers will not increase when using tougher tightness requirements, an enhanced quality of the leak testing process will lead to less unnecessary scrap, this due to that non-leaking components often are scraped unnecessarily due to leakages in the measuring apparatuses.



- ii -

Sammanfattning Detta examensarbete utfördes som ett tvärfunktionellt projekt mellan Scanias motorutveckling och motormontering i Södertälje under sommaren och hösten 2007. Arbetet var mestadels förlagt till Scanias motormontering, by 150. Examensarbetet utgör den avslutande delen av civilingenjörsutbildningen i maskinteknik, inriktning maskinkonstruktion vid Luleå tekniska universitet. Projektet behandlar ritningskrav på täthet för gjutgods och metoder för att kontrollera tätkraven.

Läckage är förutom prestanda den dominerande anledningen till att ca 10 % av Scanias motorer inte godkänns efter provkörning i samband med monteringen. De underkända motorerna måste repareras och detta är väldigt kostsamt då det förlänger ledtiden för en motor avsevärt och bidrar till omfattande kassationer i motorverkstaden. Läckagen beror oftast på otäta förband eller porositeter i gjutgods. Porositeterna kan göra att en gjuten detalj läcker gas eller vätska rakt genom godsväggen. Gjutna aluminiumartiklar i motorns kylsystem dominerar starkt denna typ av läckage. Aluminiumartiklarna gjuts och bearbetas uteslutande av underleverantörer till Scania vilka även har till uppgift att utföra tätkontroll på varje enskild komponent före leverans till motorverkstaden. Denna tätkontroll är dock ofta bristfällig vilket tillsammans med traditionellt lågt satta tätkrav på ritningsunderlaget bidrar till mycket arbete med felande produkter. Detta projekt fokuserades på att tydliggöra ritningskraven för täthet hos gjutgods genom att standardisera kravsättningen samt förbättra kontrollmetoderna och handhavande av mätutrustningen ute hos Scanias leverantörer. En stor del av arbetet lades ner på utarbetandet av en provningsmetod med hjälp av vakuum för att kunna minska behovet av de stora klämkrafter som erfordras vid tryckmätande provning av större komponenter. Vakuummetoden implementerades hos några underleverantörer till Scania och är även inkluderad i en teknisk bestämmelse för tätkontroll av gjutgods som utarbetades under projektet. Bestämmelsen är tänkt att vara vägledande för främst underleverantören vid tätkontroll av gjutgods i samband med tillverkningsprocessen genom att ställa krav och ge rekommendationer för icke-förstörande provning. Ett underlag för konstruktören vid angivandet av tätkravet för gjutgods utarbetades även. Underlaget innehåller nya generella tätkrav samt en ny ritningsstandard för angivande av täthet hos gjutgods och ersätter således den gamla Scaniastandarden STD1885. Den nya ritningsstandarden skiljer sig framförallt på en viktig punkt från den tidigare genom att läckagespecifikationen anger hur det satta tätkravet skall kontrolleras genom att göra en återkoppling till den tekniska bestämmelsen. På detta sätt ökas betydelsen av tätkravet på ritningsunderlaget.

Under projektet visades bl.a. att relativt enkla medel gör det möjligt att uppnå tillförlitliga mätresultat med tryckmätande utrustning ner till de nya tätkraven gällande för aluminiumartiklar i kylvätskesystemet även för större komponenter. En viktig slutsats av projektet är att kassationsnivån hos leverantörerna inte ökar vid skärpta tätkrav genom att en ökad kvalitet i tätkontrollen minskar onödiga kassationer, detta då täta artiklar ofta kasseras i onödan pga bakgrundsläckage i mätutrustningen.



- iii -

Förord Detta examensarbete har utförts vid Scania CV AB:s motormontering i Södertälje på uppdrag av grundmotorutveckling – grupp motorstomme, NMBC och motormontering – avdelning Direct Run Development, DED. Examensarbetet är ett tvärfunktionellt projekt mellan konstruktion och produktion.

Arbetet utgör den avslutande delen av civilingenjörsutbildningen i maskinteknik (M), inriktning maskinkonstruktion vid Luleå tekniska universitet, 180p/270hp. Arbetet har utförts under ca 20 veckor (20p/30hp) med start den 2 juli 2007.

Syftet med examensarbetet är att tillämpa de kunskaper som förvärvats under studietiden och att självständigt, eller likt detta i grupp om två, lösa en uppgift av samma slag som man kan förväntas utföra som nyutexaminerad civilingenjör [Benckert, 2005]. Ett ytterliggare syfte är att knyta värdefulla kontakter då många företag ser examensarbetare som en viktig rekryteringsgrund.

Vi som är författare till denna rapport skulle vilja tacka våra handledare på Scania, Hans Östman, NMBC och Magnus Danielsson, DED för all er hjälp och stöd under projektets gång. Ett stort tack vill vi även rikta till Unto Ojaniemi, Fredrik Pettersson och Tor Rönnholm, DED samt Daniel Ekholm, SDT, Katharina Forsberg, NMBC och Göran Kolam, motorprovningen, för att ni varit väldigt behjälpliga och gett oss mycket stöd under projektet. Vi skulle även vilja tacka vår examinator på universitetet, Roland Larsson vid avdelningen för maskinelement. Ett stort tack även till Lars Hedlund och Bjarne Österberg, Nolek AB, Michael Richter och Tomas Berg, Kontrollautomatik AB samt Per Jennéus, Fredrik Enquist och Klas Nylander, Adixen Sensistor AB för att ni tagit er tid och bidragit med er stora kunskap och långa erfarenhet inom ämnet.

Södertälje, februari 2008

________________________________

David Enbuske

________________________________

Johan Olofsson



- iv -

Terminologi Nedan följer en lista på ett antal termer som används flitigt i denna rapport.

Ackumulationstid

Den tid som krävs för att fylla ett provobjekt eller kåpa med spårgas för att uppnå en mätbar koncentration, kan reduceras med fyllnadskropp.

Cykeltid

Kan även benämnas ”provtid” och avser tiden från det att mätobjektet anslutits till instrumentet tills dess att mätningen är avslutad.

Detektera

Upptäcka, registrera eller mäta en förändring i t.ex. tryck eller koncentration.

Evakueringstid

Tid i mätprocessen då trycket återgår till atmosfärstryck.

Fyllnadskropp

Genom att använda fyllnadskropp minskas provvolymen och därmed kan man uppnå en större mätkänslighet under korta mättider. Den totala cykeltiden minskas också då man kan använda kortare stabiliseringstider då temperaturutjämningen sker fortare.

Kapillärkraft

Avser den kraft som kan suga in en vätska i en tunn kapillär. Kraften drivs av adhesionen mellan vätskan och kapillärverkan i kombination med kohesionen som verkar mellan vätskans molekyler. I täthetshänseende bidrar kapillärkraften till igensättningen av porer då en artikel kommer i kontakt med en vätska.

Läcksökning

Lokalisering av läckage, ej summan av läckaget.

Mättid

Den tid under vilken förändringen i mätvolymen uppmäts.

Provvolym

Den volym inuti eller utanpå mätobjektet där förändringen uppstår.

Produktutvecklingsprocessen (PD)

Avser den ständiga produktutvecklingsprocessen som pågår för att utveckla Scanias produkter och tjänster. Den metod och det arbetssätt som används inom PD-processen kallas PD-metoden.

Provning

I detta examensarbete definieras provning som läcksökning och tätkontroll.

Provmedium

Det medium som används vid tätkontrollen. Kan vara och är vanligen ett annat medium (t.ex. luft) än det medium som används i drift. Omvandling från tätkravet i drift till ett annat medium och/eller tryck krävs oftast pga mättekniska skäl och för att spara tid och pengar samt av miljömässiga skäl. Läckagets storlek är beroende av vilket medium som används.



- v -

Provobjekt

Det objekt som tätkontroll utförs på.

Provtryckning

Är en ren hållfasthetskontroll där man svarar på frågan om ett objekt håller vid trycksättning.

Spårgas

Gas med avvikande egenskaper från luft eller annan gas som omger provobjektet. En speciell detektor (ett instrument) används för att registrera skillnaden exempelvis luft och en utläckande spårgas vid läckagestället. Spårgasen kan t.ex. vara helium.

Stabiliseringstid

Vid trycksättning av en mätvolym skapas värme, för att uppnå bättre mätprecision bör temperaturen utjämnas innan själva mätningen genomförs, denna tid kallas stabiliseringstiden.

Teknisk bestämmelse (TB)

Kravdokument som fungerar som ett komplement till ritningar, kortfattat skall en TB innehålla allt det som inte normalt står på en ritning eller inte får plats på ritningen. Referens till eventuell TB skall finnas på aktuell ritning.

Tätkrav

Benämns ofta även som läckagekrav eller täthetskrav. Tätkravet på ritningsunderlaget anger maximal läckagenivå för den specifika artikeln. Läckaget kan vara uppdelat på ett flertal ställen över ett mätobjekt men tätkravet gäller den totala läckagenivån. Anges vanligtvis i volym per tidsenhet vid ett visst provtryck.

Tätkontroll

Används för att kontrollera om mätobjektet uppnår de ställda tätkraven. I detta examensarbete används ordet tätkontroll för både upptäcka och lokalisera läckage.

Viskositet

Viskositeten hos en vätska eller en gas är ett mått på dess inre friktion, d.v.s. dess interna motstånd mot att deformera sig under påverkan av skjuvkrafter. Vanligtvis definierar man viskositet som en fluids “tjocklek”, eller flödesmotstånd. Det finns två varianter av viskositet, dynamisk, η [Ns/m2] och kinematisk, µ [m2/s] viskositet. Viskositetstyperna förhåller sig till varandra genom det strömmande mediets densitet, ρ=η/µ.

Ytspänning

Ytspänningen beror på intermolekylära krafter som verkar mellan molekylerna i vätskan. Ytspänningen gör att t.ex. insekter och små metalliska objekt så som nålar och rakblad flyter på vattnets ytskikt. Ytspänningen är också anledningen till vätskans kapillärverkan. Om vatten kommer i kontakt med t.ex. glykol sänks ytspänningen.



- vi -

Innehållsförteckning 1 INLEDNING................................................................................................................................................ 1

1.1 BAKGRUND........................................................................................................................................... 1 1.2 MÅL...................................................................................................................................................... 1 1.3 SYFTE ................................................................................................................................................... 2 1.4 AVGRÄNSNINGAR ................................................................................................................................. 2 1.5 TILLVÄGAGÅNGSSÄTT OCH RAPPORTENS STRUKTUR............................................................................ 2 1.6 FÖRETAGSPRESENTATION..................................................................................................................... 3

1.6.1 Berörda avdelningar ....................................................................................................................... 3 2 FÖRSTUDIER............................................................................................................................................. 4

2.1 NULÄGESANALYS ................................................................................................................................. 4 2.1.1 Tanke bakom skärpta tätkrav .......................................................................................................... 5

2.2 GJUTTEKNIK ......................................................................................................................................... 6 2.2.1 Gjutmetoder..................................................................................................................................... 7 2.2.2 Gjutlegeringar............................................................................................................................... 12 2.2.3 Gjutfel............................................................................................................................................ 14

2.3 TÄTKONTROLL.................................................................................................................................... 16 2.3.1 Tätkontroll i produktion ................................................................................................................ 17 2.3.2 Läcksökning................................................................................................................................... 18 2.3.3 Tätkontrollinstrument.................................................................................................................... 18 2.3.4 Säkerhet gällande provning med över- eller undertryck ............................................................... 21

2.4 IMPREGNERING AV GJUTGODS............................................................................................................. 23 3 LÄCKAGEFYSIK I SAMBAND MED TÄTKONTROLL................................................................... 26

3.1 DEFINITION AV LÄCKAGE ................................................................................................................... 26 3.2 STRÖMNING GENOM POROSITETER...................................................................................................... 27 3.3 FÖRHÅLLANDET MELLAN PROVTRYCK OCH LÄCKAGE ........................................................................ 31 3.4 OMVANDLING MELLAN VÄTSKA OCH GAS........................................................................................... 35 3.5 TRYCKSÄTTNING AV PROVVOLYM ...................................................................................................... 36

4 RESULTAT OCH DISKUSSION............................................................................................................ 38 4.1 FÖRTYDLIGANDE AV RITNINGSKRAVEN FÖR TÄTHET HOS GJUTGODS ................................................. 38 4.2 METOD FÖR TRYCKMÄTANDE PROVNING MED VAKUUM..................................................................... 40

4.2.1 Mätkänslighet vid vakuumprovning .............................................................................................. 43 4.2.2 Rekommendationer och slutsatser för vakuumprovning................................................................ 47

5 SLUTDISKUSSION.................................................................................................................................. 49 5.1 BEDÖMNING AV MOTORMONTERINGENS TÄTKONTROLL..................................................................... 49 5.2 SLUTSATSER ANGÅENDE EXAMENSARBETET ...................................................................................... 50

5.2.1 Vidare arbete................................................................................................................................. 51 6 REFERENSER .......................................................................................................................................... 52

BILAGA 1 UNDERLAG FÖR ANGIVANDE AV TÄTKRAV FÖR GJUTGODS

BILAGA 2 TB TÄTKONTROLL AV GJUTGODS

BILAGA 3 VAKUUMPROVNING VARNÄSBOLAGEN

BILAGA 4 YTSPÄNNINGSMÄTNING KYLVÄTSKA

BILAGA 5 PRESENTERA DIFFERENSTRYCK I FLÖDESENHETER



- 1 -

1 Inledning Detta kapitel beskriver bakgrunden till projektet samt dess mål och syfte. Kapitlet definierar även projektets avgränsningar, beskriver rapportens struktur och tillvägagångssättet som använts för att nå de uppsatta målen. En presentation ges också i kapitlet av Scania och vart i organisationen författarna utfört examensarbetet.

1.1 Bakgrund Förutom prestanda är läckage den dominerande anledningen till att ca 10 % av Scanias motorer inte godkänns efter tätkontroll och provkörning i samband med monteringen. Reparation av varje underkänd motor är väldigt kostsamt då det bl.a. förlänger ledtiden för en motor avsevärt. Som en tumregel brukar man säga att kostnaden för en felaktighet multipliceras med en faktor 10 för varje steg i produktionskedjan. Ett väldigt förenklat exempel kan t.ex. vara ett monteringsfel som kostar 10 kr, om det upptäcks i efterhand på monteringslinan kostar det 100 kr att reparera, upptäcks felet vid provkörning kostar reparationen 1000 kr och måste felet rättas till i bil är kostnaden 10 000 kr [Danielson, 2007].

För att lättare kunna upptäcka läckage i samband med provkörningen införde Scania för ett par år sedan tillsatser, s.k. additiver i de vätskor som används vid provkörningen. Additiverna framträder tydligt vid belysning och avslöjar läckage både i form av otäta förband och vid porositeter i gjutgods. Porositeterna kan göra att en gjuten detalj kan läcka rakt genom godsväggen. Gjutna aluminiumartiklar i motorns kylsystem för hela 90 % av dessa läckage [Ojaniemi, 2007]. Aluminiumartiklarna tillverkas uteslutande av underleverantörer till Scania vilka även har till uppgift att utföra tätkontroll på varje enskild komponent för att säkerställa dess kvalitet. Denna tätkontroll är dock ofta bristfällig och de ritningskrav som används idag har man på motormonteringen, genom erfarenhet från motorprovningen, sett vara alldeles för låga. Detta medför mycket arbete med felande produkter menar man. Därför har Scania bestämt sig för att hitta nya relevanta tätkrav som både är rimliga att mäta med dagens metoder och resulterar i mindre läckage [Danielson, 2007]. Man har även påbörjat ett arbete med att förbättra de kontrollmetoder som används ute hos underleverantörerna. Förhoppningen är att skärpta tätkrav tillsammans med förbättrade kontrollmetoder skall fungera som en kostnadsoptimering genom att man minskar arbetet med felande artiklar.

Det är dock inte bara kostnadsaspekten som initierat arbetet med skärpta tätkrav, inom lastbilsbranschen har tidigare en viss mängd läckage tidigare varit helt accepterat men som ett led i branschens och Scanias nya miljömål måste alla former av läckage minimeras. Bestämmelser i många länder går även mot att bilarna inte får läcka någon form av vätska, även vissa företag, speciellt inom livsmedelsbranschen, har liknande krav. I den rådande miljödebatten är problemet därför av högsta intresse att titta närmare på.

1.2 Mål Tydliggöra ritningskraven genom att standardisera kravsättningen och förbättra kontrollmetoderna samt arbetssättet då underleverantörerna tätkontrollerar den gjutna artikeln. Målet är även att kunna utreda om vakuumprovning kan användas som tätkontrollmetod i serietillverkning för att minska behovet av klämkrafter samt bedöma om motormonteringens tätkontrollmetoder är tillräckliga. Förhoppningen är även att kunna implementera resultatet i Scanias produktframtagningsprocess och allmänt kunna öka kunskapsnivån om läckage och tätkontroll hos berörda parter.



- 2 -

1.3 Syfte Möjliggöra en hög och jämn kvalitetsnivå samt minska totalkostnaderna, d.v.s. minska kassationerna och förkorta genomloppstiderna. Mindre läckage i gjutgods skall leda till minskade produktionsstörningarna då en ny artikel tas i serieproduktion samt öka kvaliteten ute hos kunden och minska påverkan på miljön.

1.4 Avgränsningar Projekt är fokuserat på materialtäthet hos gjutgods, läckage i form av otäta förband berörs inte i detta projekt. Mestadels studeras läckage genom aluminiumartiklar i motorns kylvätskesystem, även om projektet har syftet att leda fram till ett resultat som även är möjligt att tillämpa på andra gjutna material och för andra medium. Anledningen till detta är att vattenbärande aluminiumgjutgods står för hela 90 % av porositetsproblemen i Scanias motorer. Vidare är inte projektet tänkt att varken gå in på djupet inom material- eller tillverkningsteknik, även om dessa områden berörs i projektets förstudie. Störst fokus kommer att ligga på tryckmätande provning, men även tätkontroll med hjälp av spårgaser kommer att beröras. Hur porositeterna påverkar en artikels hållfasthetsegenskaper berörs inte.

1.5 Tillvägagångssätt och rapportens struktur Detta examensarbete utfördes som ett tvärfunktionellt projekt mellan Scanias motorutveckling och motormontering i Södertälje under sommaren och hösten 2007, arbetet var mestadels förlagt till motormonteringen, by 150.

För att uppnå projektets mål inledde författarna arbetet med en två veckor lång praktikperiod under juli månad på monteringslina, motorprovning och komponentanalys (Analysen). Detta med syftet att ge en produktkännedom, lära sig konstruera monteringsvänligt samt för att få en känsla för tempot i produktionen. Vidare gjordes en litteraturstudie inom de berörda kunskapsområdena och därefter påbörjades en intensiv försöksperiod där omfattande egna mätningar varvades med studier inom tätkontrollteknik och studiebesök både hos gjuterier samt tillverkare av tätkontrollutrustning. Ett utbyte gjordes även med Volvo Lastvagnar där representanter besökte motormonteringen i Södertälje. Ett motbesök var även planerat under hösten men flyttades av tidsskäl framåt i tiden. Metoden för vakuumprovning med tryckmätande instrument utarbetades sedan under en längre tid genom en omfattande försöksstudie och genom litteraturstudier, för att sedan verifieras och implementeras hos Alteams OY i Wasa, Finland och Varnäsbolagen utanför Västerås. En teknisk bestämmelse för tätkontroll av gjutgods utarbetades sedan där erfarenheter från försöksstudien och vakuummetoden inkluderades. Under den resterande tiden av examensarbetet fokuserades arbetet på att tydliggöra ritningsstandarden för täthet hos gjutgods och specificera nya läckagenivåer för dessa. Ytspänningsmätningar gjordes även på den färgade kylvätskan som används i motorprovningen för att utreda huruvida färgämnet bidrar till ökat läckage vid motorprovning.

Rapporten är strukturerad med en inledande förstudie, innehållande bl.a. en nulägesanalys som beskriver förutsättningarna inför examensarbetet, likt en utförligare bakgrund, mer specifik för uppgiften. Förstudien innehåller även den inledande teori- och försöksstudien som ligger till grund för resultaten som arbetas fram i projektet samt också för de synpunkter som tas upp angående den tätkontroll som bedrivs i dagsläget. Efter den inledande förstudien återfinns en djupare studie av läckage i samband med tätkontroll där innehållet består både av material hämtat från litteratur samt material författarna kommit fram till själva. Projektets resultat samt diskussion och synpunkter för



- 3 -

respektive resultat återfinns därefter. Sist i rapporten återfinns författarnas bedömning av motormonteringens tätkontrollprocess samt diskussion och slutsatser angående examensarbetet i sin helhet.

1.6 Företagspresentation Scania är en världsledande tillverkare av tunga lastbilar, bussar samt industri- och marinmotorer. Företaget är även en av branschens mest lönsammaste [www.scania.com, 2007]. Scania tillhandahåller även servicetjänster för alla sina produkter. Produkterna skräddarsys för varje kunds behov, detta för att förbättra kundens transportekonomi. De största marknaderna är Brasilien, Storbritannien, Tyskland och Sverige. Scania bedriver verksamhet i Europa, Latinamerika, Asien, Afrika och Australien och har sammanlagt ca 32 800 anställda. Forskning och utveckling är koncentrerad till Södertälje. De största produktionsorterna är Sao Paulo i Brasilien och Södertälje, i Södertälje finns även Scanias huvudkontor. Övrig tillverkning och montering är bl.a. lokaliserat till Luleå, Sibbhult, Falun, Oskarshamn, Argentina och Mexico. Produktionen i Sibbhult och Falun genomgår i skrivandets stund en flytt till Södertälje.

Scania grundades år 1900 i Malmö och namnet Scania är ett latiniserat namn för Skåne. Bolaget slogs samman med personbils- och lastbilstillverkaren Vabis den 1 januari 1911 och blev Scania-Vabis, sammanslagningen ledde också till att Scania flyttades till Södertälje. Vabis grundades år 1891 i Södertälje med namnet Vagn Aktiebolaget i Södertälje. Scania-Vabis började samarbeta med Saab år 1969 och i samband med detta försvann Vabis-delen ur bolagsnamnet. Under 1990-talet köptes Saabs personbilsdivision av amerikanska GM och detta var början till splittringen av industrikoncernen Saab-Scania. Scania är idag ett eget publikt aktiebolag noterat på Stockholmsbörsen. Leif Östling har varit chef för bolaget sedan 1989. [www.wikipedia.org, 2007]

1.6.1 Berörda avdelningar På Scanias motormontering i Södertälje, där detta examensarbete utförts, sätts alla typer av motorer i Scanias produktserier för lastbilar och bussar ihop. När Scania för några år sedan ansåg att det tog alldeles för lång tid att från det att man upptänkte ett konstruktionsfel i produktionen tills dess att felet rättats till av konstruktörerna på Scania Teknisk Centrum bestämde man sig för att flytta en viss del av konstruktörerna ut på verkstäderna. Konstruktionsavdelningen på motormonteringen kallas NMK och de jobbar enbart med produktuppföljning, d.v.s. omkonstruktion av delar till motorer i befintlig produktion, s.k. rödpil. Tanken är utöver den självklara fördelen med att konstruktören fysiskt befinner sig intill produktionen också att man som konstruktör ska få en känsla för takten på golvet och vilka pengar som står på spel varje minut som en produkt felar. DED, Direct Run Development är den avdelning som författarnas ena handledare Magnus Danielson är chef för. Avdelningen har som huvuduppgift att optimera flödet genom fabriken. DED ansvarar tillsammans med Q-teamet och NMK för Analysen. Q-teamet är ett tvärfunktionellt team bestående av konstruktörer, inköpare, beredare, och anskaffare. Detta som en resurs och expertgrupp ute i produktion. Scania har ett Q-team på alla sina produktionsanläggningar runt om i världen. Slutligen, grundmotorutveckling - motorstomme, NMBC är den grupp författarna varit anställda av under examensarbetet. Gruppen ansvarar för bl.a. motorblock och cylinderhuvud men även flertalet gjutna aluminiumartiklar. Chef för gruppen är författarnas andra handledare Hans Östman.



- 4 -

2 Förstudier Förstudien är en sammanställning av den kunskap författarna inhämtade under ett tidigt stadium av projektet genom litteraturstudier, studiebesök och egna inledande försök. I förstudien ingår en studie av förutsättningarna inför examensarbetet, en s.k. nulägesanalys samt inhämtad kunskap om gjutning, gjutmaterial, tätkontroll samt impregnering av gjutgods.

2.1 Nulägesanalys Historiskt sett har tätkrav på ritning definierats olika på olika företag och av olika konstruktörer. Traditionellt på Scania, likt många andra företag i branschen har konstruktören tittat på bl.a. funktionsmässigt liknande artiklar, storlek, lokala tabeller eller använt sig av ren erfarenhet [Östman, 2007]. Enligt Jonsson [1982] så har krav som ”absolut tätt” eller ”gastätt” använts genom åren vilket har medfört att beredare eller provningspersonal avgjort tätkravet i och med val av tätkontrollutrustning, detta beroende på att begreppet täthet är ett relativt begrepp. Det är av stor betydelse att konstruktören själv anger tätkravet då det är han eller hon som har överblick över detaljens funktion, säkerhetskrav, miljömässiga och ekonomiska krav. Det är också av stor betydelse att kravet är generellt giltigt och väldefinierat. Med detta avses att kravet inte hänvisar till en bestämd tätkontrollmetod och att kravet är specificerat för provning med någon form av gas, t.ex. luft eller spårgas. Med detta i åtanke har man därför standardiserat ritningskravet till maximalt tillåtet läckage fri luft per tidsenhet i övertryck vid rumstemperatur (se Figur 2-1).

Figur 2-1 Standard för angivelse på ritning, de specifika värdena är dock bara ett exempel.

Större delen av de läckage som upptäcks i samband med motorprovningen orsakas av porositeter i gjutna aluminiumartiklar [Ojaniemi, 2007]. Ofta hävdas det att detta beror på att aluminium är ett poröst material och att aluminium därmed ”alltid” läcker likt en sil om materialet trycksätts, speciellt efter bearbetning. Från Scanias sida hävdar man att detta inte stämmer för de gällande läckagenivåerna, man menar istället på att läckaget oftast uppstår i en eller ett par porer. Enligt Danielson [2007] har man genom tusentals mätningar kunnat visa att vid hela 98 % av fallen uppstår läckaget endast ur endast en porositet. Samma studie har även visat att läckaget ofta beror på mätutrustningens fixtur. Det förekommer ofta ett grundläckage i mätfixturerna som ofta misstas för läckage vilket leder till onödiga kassationer.

För aluminiumartiklar i motorns kylvätskesystem har man av tradition tidigare angivit ett



- 5 -

tätkrav på mellan 80-100 mm3/s luft [Ojaniemi, 2007]. Enligt Danielson [2007] är detta krav alldeles för lågt och därför försöker man nu införa hårdare krav. Att införa en nollnivå eller däromkring på ritning är inte ett rimligt krav som tidigare diskuterats och därför har man bestämt sig för att inleda arbetet med att införa kravet 25 mm3/s luft vid 1,5 bars provtryck för vattenbärande aluminiumartiklar. 1,5 bar skall motsvara kylsystemtrycket i bil. Man har dock stött på rejält motstånd från framförallt sin egen inköpsavdelning på Scania som är rädda för att leverantörerna kommer att begära bättre betalt för sina produkter. Detta genom att en skärpt läckagenivå skulle betyda ökade kostnader genom t.ex. inköp av nya och bättre mätinstrument. Enligt Danielson [2007] har man dock sett att så inte alltid är fallet då man med enkla metoder så som underhåll av mätutrustningar samt genom att använda sig av bra fixturer kan uppnå bra mätkänslighet även vid skärpta tätkrav. Från både motormontering och konstruktion ser man införandet av nya tätkrav som en ”win-win”-situation då man menar att både arbetet med felande artiklar hos Scania, tillika internkassationen hos leverantörerna kommer att minska.

2.1.1 Tanke bakom skärpta tätkrav Scanias tankesätt med införandet av nya hårdare tätkrav, likt 25 mm3/s vid 1,5 bars övertryck, är att antalet felande artiklar i arbete kommer bli färre genom att man flyttar kassationen närmare tillverkningen. När man skärper tätkravet tvingar man underleverantörerna att förbättra sin kvalitetskontroll och ytterst sin tillverkningsprocess. Genom att felen upptäcks i ett tidigare skede, innan leverans till Scania, är förhoppningen att totalkostnaden kommer att minska. 25 mm3/s är tänkt att fungera som en utgångspunkt när konstruktören anger ritningskravet för aluminiumkomponenter i kylsystemet. Kravet ska inte ses som ett absolut fast krav på tätheten hos alla aluminiumartiklar utan den slutgiltiga gränsen för varje typ av artikel är tänkt att måsta provas fram. Enligt Scania är den specifika nivån satt vid en flödesnivå man sett att de flesta kommersiella mätutrustningar ute hos underleverantörerna klarar av att mäta med god tillförlitlighet. För bränslekomponenter är kravet mycket tuffare, ca 1-5 mm3/s vid tre bar och ofta erfordras då någon form av spårgasprovning. För artiklar med lågt trycksatt olja, t.ex. oljesump, tillåts kraven vara betydligt generösare. Kvalitetsnivån kommer inte direkt att höjas med skärpta tätkrav menar man men förhoppningen är att antalet läckande artiklar levererade till Scania ska bli färre. Motorprovningen fungerar i nuläget likt en ”målvakt” och antalet producerade, ej läckande, artiklar måste vara lika med antalet godkända motorer. Eftersom man även tidigare inte tillåter läckande motorer passera motorprovningen så kommer inte kvalitetsnivån ute hos kund att höjas. Man hoppas dock kunna minska antalet omkörningar, d.v.s. höja dagens ”Direct Run”-nivå genom att minska antalet läckande motorer. Genomloppstiden för en motor är 1 till 1,5-dygn om allt går bra, men ca 3 till 3,5-dygn om motorn behöver repareras under tiden. Minimera man antalet omkörningarna skulle genomloppstiden i snitt för en motor kunna halveras, detta då nästan hälften av alla omkörningar beror på läckage. Dock är huvudmålet med införandet av skärpta tätkrav inte att reducera ledtider utan att driva ut spill från motorverkstaden. [Ojaniemi; Danielson, 2007]



- 6 -

2.2 Gjutteknik Tillverkningsmetoden gjutning används framförallt vid tillverkning av komplexa delar som vore oekonomiska att tillverka med någon annan tillverkningsmetod. Gjutning innebär att flytande material (smälta), dock inte nödvändigtvis metall, hälls i en för ändamålet framställd form där materialet övergår till fast fas (stelnar). Formen kan antingen vara en engångsform eller en permanent form. Hela gjutprocessen kan delas in i sex steg: form- och kärntillverkning, smältning av material, avgjutning (hälla upp smälta i form), stelningsförlopp, urslag av detalj ur form och efterslag (rensning och efterbearbetning av detalj) [www.wikipedia.org, 2007]. Vid gjutning i engångsform tillkommer tillverkning av modellutrustning (form och kärna) tillskillnad från gjutning i permanent form där ett formverktyg används. Ofta används datahjälpmedel för att simulera upp gjutförloppet och på så sätt få en bild av hur bl.a. porbildningen kan komma att se ut.

Några karaktäristiska egenskaper för gjutning [Lindström m.fl., 2000]:

• Svårbearbetbara material och legeringar kan gjutas

• Stor frihet i formgivningen, vilket möjliggör komplicerad formgivning och god design

• Ingen storleksbegränsning, allt från några gram till flera hundra ton kan gjutas

• Möjliggör god formgivning ur bl.a. utmattningssynpunkt

• Minskar behovet av kostsam skärande bearbetning

• Möjliggör tillverkning av sammansatta konstruktioner som en enda enhet vilket minskar antalet lagerhållning och därigenom totalkostnad

Figur 2-2 Oljekylarkåpa i gjutet aluminium.



- 7 -

2.2.1 Gjutmetoder

Figur 2-3 Översikt gjutmetoder, engångsform [Lindström m.fl., 2000].

Figur 2-3 och Figur 2-4 ger en översiktsbild över tillgängliga gjutmetoder. Likt figurerna visar delas gjutmetoderna in i två huvudgrupper beroende på typ av gjutform. Gjutning i sandform hör till gruppen engångsform och kan vidare delas in efter typ av formmaterial likt Figur 2-3 visar. Gjutmetoderna kokill- och pressgjutning tillhör gruppen permanent form, se Figur 2-4.

Figur 2-4 Översikt gjutmetoder, permanent form [Lindström m.fl., 2000].



- 8 -

Med anledning av att bl.a. verktygskostnaderna skiljer sig mellan de olika gjutmetoderna så används också normalt olika gjutmetoder beroende på seriestorlek, t.ex. är det vanligt att sandformar används under förserietillverkning och att press- eller kokillgjutning används under serietillverkning (se Figur 2-5). Att använda sig av olika gjutmetoder gör dock att artikelns egenskaper ändras från en förserie till serieproduktion. porbildningen är t.ex. helt olika mellan sand- och pressgjutning, vid sandgjutning är gas i smältan anledningen till porbildningen och vid pressgjutning bildas porositeter genom otillräcklig avluftning. Detta gör att man inte något kan säga om porositetsproblemen som kan uppkomma i en serietillverkad artikel genom en förserie. Att utföra tätkontroll vid förserie säger därför inte något om tätheten hos en serietillverkad artikel men det ger dock en bild av hur väl den valda tätkontrollmetoden fungerar, t.ex. fixtur- och packningsrelaterade problem som kan uppkomma.

Figur 2-5 Val av gjutmetod i förhållande till seriestorlek.

Figur 2-6 ger en bild av vilka gjutmetoder som är lämpliga för specifik gjutlegering. Som tidigare nämnts är både kokill- och pressgjutning väldigt väl lämpade för långserieproduktion, metoderna har även blivit speciellt populära vid gjutning av lättmetaller, så som aluminiumlegeringar, beroende på gjutformens livslängd [Lindström m.fl., 2000]. Vid gjutning av aluminiumlegeringar används ofta även gjutning i sandform som figuren visar.



- 9 -

Figur 2-6 Lämplig gjutmetod för specifik gjutlegering [Lindström m.fl., 2000].

Gjutning i sandform

Gjutning i sandform är den allmänt vanligaste gjutmetoden mycket pga att metoden är väldigt flexibel, både med avseende på gods- och seriestorlek, godsutformining samt typ av gjutmaterial. Gjutmetoden är användbar för gjutning av alla godsstorlekar från mycket små till mycket stora gjutartiklar. Metoden kan även användas oavsett seriestorlek då modellmaterialet kan anpassas därefter, vid små serier används handformning och vid medelstora och stora serier används maskinformning eller skalgjutning [Lindström m.fl., 2000], modellkostnaderna hålls därför förhållandevis låga. Metoden ger stor frihet vid formgivning då flerdelade formar/kärnor kan användas. Scania använder sig av sandgjutning bl.a. vid tillverkning av motorblock och cylinderhuvud vid Scanias motorbearbetningsfabriker i Södertälje och Sao Paulo. Principen för de olika metoderna att gjuta med hjälp av sandform är i stora drag lika med undantag för skalformning. Skalformning är även mindre lämpat för aluminiumlegeringar. Principen bygger på att såväl form som kärna byggs upp av hårt packad sand bundet samman av ett bindemedel, vanligtvis någon form av olja. Kemiskt bundna form- och kärnmassor så som furhartsbunden sand, vattenglasbunden sand samt skalsand används numera i allt större utsträckning. Dock används sand utan bindemedel



- 10 -

i sandformningsmetoderna vakuum- och fullfilmsformning där sanden hålls samman ett kraftigt undertryck respektive av en modell som förångas under gjutprocessen. Gjutning i sandform ger dock bara måttlig noggrannhet och ytkvalitet. Man kan relativt enkelt särskilja sand- och pressgjutna komponenter genom att sandgjutgods har en tydlig skrovlig yta. Formmaterialet har även låg värmeledningsförmåga jämfört med kokiller eller formverktyg i stål vilket har stor betydelse för gjutmetallens stelningsförlopp gå de kan ge upphov till grov struktur och därmed sämre mekaniska egenskaper.

Kokillgjutning

Vid kokillgjutning används permanenta formar vanligtvis gjorda av stål [Lindström m.fl., 2000]. Formarna kallas kokiller. Kärnorna görs antingen av stål om utformningen kräver det eller av sand med ett bindemedel, då som engångskärnor. För att skydda kokillen och kärnan vid gjutförloppet mot den extrema temperaturökningen täcks de med ett tunt skyddskikt av ett eldfast material, s.k. black. Trots detta blir kokillens livslängd ändå begränsad, desto högre smälttemperatur hos gjutmaterialet, desto kortare blir kokillens livslängd. Metoden är följaktligen mer lämpad för gjutning av lättmetaller, t.ex. aluminiumlegeringar, livslängden är då begränsad till ca 50 000 gånger. Likt Figur 2-7 visar finns det två typer av kokillgjutning, statisk kokillgjutning och lågtryckskokillgjutning.

Figur 2-7 Principskiss kokillgjutning.

Vid statisk kokillgjutning värms kokillen upp till temperaturer kring 200-400°C varefter den blackas innan själva gjutprocessen. Kokillhalvorna förs sedan samman och låses, smältan får sedan falla fritt ner i formrummet.

Principen för lågtryckskokillgjutning framgår även av figuren, matningen av smältan genom stigarröret sker genom att ett övertryck (20-50 kPa) i den gastäta varmluftsugnen skapas av ett pålagt luft- eller gastryck.



- 11 -

Fördelar:

• Bättre hållfasthetsegenskaper än vid gjutning i sandform ger tunnare och lättare godsvikter

• God dimensionsnoggrannhet och ytkvalitet

• Relativt stor frihet vid formgivning då kokillen kan delas på flera sätt samt att både metall och sandkärnor kan användas

• Metoden är mycket lämpad för ingjutningar av olika delar, t.ex. bussningar, bultar och cylinderfoder av gjutjärn i lättmetallmotorblock

Nackdelar:

• Storlek och viktbegränsning uppåt

• Kostnaden för kokillen är relativt hög och kokillen har en begränsad livslängd

• Metoden kräver relativt stora serier för lönsamhet, minimum 500-1000 detaljer

Pressgjutning

Likt kokillgjutning finns två typer av pressgjutning, varm- och kallkammarmetoderna beroende på hur tryckalstraren är konstruerad (se Figur 2-8). Pressgjutning bygger på att smällt material pressas med hjälp av en kolv in i gjutformen. Kolven är endera hydraulisk eller mekanisk. Det höga trycket och den höga injektionshastigheten gör att smältan kan pressas ut och fylla mycket tunna sektioner och invecklade konturer. Formen kallas för verktyg och består vanligtvis av stål. I kallkammarmaskiner ligger injektionscylindern, tryckkammaren fri och smältan överförs från en separat ugn. Varmkammarmaskiner är däremot nedsänkta i ett bad av smältan. Kallkammarmetoden används för legeringar med hög smältpunkt såsom koppar-, aluminium- och magnesiumlegeringar medan varmkammarmetoden används för lättsmälta legeringar. Verktygets livslängd är beroende av gjutmaterialet, gjutstyckets form och verktygsmaterialet, vid gjutning av aluminium- och magnesiumlegeringar är normalt livslängden ca 200 000 avgjutningar.

Figur 2-8 Principskiss pressgjutning.



- 12 -

Fördelar:

• Mycket god dimensionsnoggrannhet och ytjämnhet

• Mycket lite efterbearbetning krävs

• Stor noggrannhet vid placering av hål, slitsar och andra öppningar

• Bättre hållfasthetsegenskaper än vid gjutning i sandform vilket medför materialbesparingar och låg godsvikt, tunnväggigt gods ned till 1 mm kan tillexempel framställas

• Mycket lämplig för ingjutningar av olika detaljer såsom bussningar, bultar och cylinderfoder

Nackdelar:

• Storlek och viktbegränsning uppåt

• Begränsad frihet vid formgivning

• Begränsad livslängd på verktyg vilket gör att metoden är lämpligast för material med låg smältpunkt

• Tekniskt avancerad och dyrbar maskin

• Hög verktygskostnad vilket gör att metoden kräver mycket stora serier för lönsamhet, normalt minst 5 000-50 000 detaljer

2.2.2 Gjutlegeringar De två mest vanligen förekommande typerna av gjutmaterial i motorer, aluminium och gjutjärn har valts att beskrivas i detta kapitel.

Aluminiumlegeringar

Grundämnet aluminium är ett ickemagnetiskt material som näst efter syre och kisel är det vanligaste ämnet i jordskorpan [www.alutrade.se]. Vanligt är att alla typer av aluminium och aluminiumlegeringar benämns aluminium, dock är det stor skillnad på aluminiumets olika egenskaper. Ren aluminium har en hög korrosionsbeständighet, låg hållfasthet samt mycket god värme- och elledningsförmåga. Olegerat aluminium har också en god reflektionsförmåga för såväl synligt ljus som värmestrålning. Ren aluminium används enbart då dessa egenskaper söks, t.ex. i hushållsföremål, förpackningar, folie, kokkärl, rörledningar samt optiska beläggningar och speglar [Lindström m.fl., 2000].

För att förbättra de mekaniska egenskaperna legerar man aluminiumet bl.a. med koppar, magnesium, kisel och mangan. Gemensamt för aluminium och dess olika legeringar är den låga densiteten, ungefär en tredjedel av densiteten hos koppar, mässing och stål. Aluminium och dess legeringar kännetecknas även av att de är lätta att forma och bearbeta. Energiåtgången vid t.ex. fräsning, borrning, kapning, svarvning, stansning och bockning är låg. Legerat aluminium har sämre korrosionsbeständighet samt elektriska och termiska egenskaper men avsevärt bättre hållfasthet. Vissa legeringar kan uppnå hållfasthetsvärden i klass med konstruktionsstål genom utskiljningshärdning. Det höga styrka-till-vikt-förhållandet gör att de används allt flitigare inom industrin i dess insatser att sänka materialvikt för att t.ex. minska bränsleförbrukningen. Aluminiumkomponenter i motorer ger också upphov till en lägre ljudnivå vilket framförallt är populärt inom personbilsindustrin. Exempel på användningsområden är bl.a. motorblock, insugningsrör, fälgar, kamerahus och stommar för mobiltelefoner. Nackdelar med att använda aluminiumlegeringar som konstruktionsmaterial är att höga temperaturer minskar



- 13 -

hållfastheten. Kontinuerliga temperaturer över 100°C påverkar hållfastheten i så stor utsträckning att man vid konstruktion måste ta hänsyn till detta [www.sapa.se]. Längdutvidgningskoefficienten är också relativt stor jämfört med andra metaller. Aluminium är också ett relativt dyrt material och som en tumregel kan sägas att tillverkningssvårigheterna och därmed priset ökar med legeringens hållfasthet. En annan begränsning för är utmattningshållfastheten. Till skillnad från stål finns ingen definierad utmattningsgräns, d.v.s. utmattning kommer att inträffa även under mycket få cykler vilket gör att man måste konstruera efter en begränsad livslängd istället för en last. I våta miljöer uppstår galvanisk korrosion väldigt lätt i kombination med rostfritt stål.

Vissa aluminiumlegeringar är speciellt anpassade för gjutning och bland dessa kan flera huvudtyper särskiljas. Den första huvudtypen är legeringarna med enbart kisel, silumin. Halten kisel kan variera mellan 7-12 % och dessa legeringar har god gjutbarhet och lämpar sig därför väl för tunnväggigt gods, t.ex. kåpor och oljesumpar. Den andra huvudtypen är legeringar av både kisel och koppar. Dessa legeringar har bättre skärbarhet än silumin. Den tredje typen innehåller förutom kisel även en låg halt av magnesium, 0,3 %, denna tillsats gör att legeringarna blir härdbara. Den fjärde typen har magnesium och en låg halt av kisel som tillsats vilket gör att de är svårare att gjuta än de övriga huvudtyperna men de har istället en mycket god korrosionsbeständighet mot havsvatten och saltmättad luft. Gjutet aluminium är ett poröst material som kan liknas med en ost, när man hyvlar osten öppnar man ofta upp håligheter, detta inträffar ofta också när man bearbetar gjutet aluminium, mer om detta i kapitel 2.2.3. [Lindström m.fl., 2000]

Gjutjärn

Gjutjärn är olika legeringar av järn med hög kolhalt, ca 2-4 % [www.ne.se, 2007]. Gjutjärn används för framställning av järngjutgods. I gjutjärn ingår även en relativt hög halt av kisel, främst ferrokisel, som tillsammans med den höga halten av kol gör att gjutjärnet har en god gjutbarhet. Detta kännetecknas av att legeringarna har relativt låg smältpunkt, är ganska lättflytande i smält tillstånd och bildar inte besvärliga oxidhinnor vid gjutning. Kolet förekommer i olika former i materialets struktur vilket ger gjutjärnet olika egenskaper, därför skiljer man på olika typer av gjutjärn. Gråjärn har fjällig grafitstruktur, grafitstrukturen hos segjärn är kulformig och aducerjärn har grafitnästen, i vitjärn är kolet bundet till järnet som cementit, Fe3C. Den femte typen av gjutjärn är vermikulärt gjutjärn, s.k. kompaktgrafitjärn, vars egenskaper ligger mellan gråjärnets och segjärnets egenskaper vilket gör att de ofta används i stålverkskokiller, cylinderhuvuden och avgasgrenrör. Råvaror vid tillverkning av gjutjärn är tackjärn, gjutjärn- och stålskrot samt legeringsämnen. Smältningen sker i kupolugn eller induktionsugn. Tackjärnet, s.k. råjärn, skiljer sig från gjutjärnet genom något högre kolhalt och i regel lägre kiselhalt. Främst gjuts järngjutgodset i sandform beroende på att den låga svalningshastighet gör att grafiten hinner utskiljas. Rör centrifugalgjuts i stålkokill, varvid järnet stelnar till vit struktur och sedan värmebehandlas materialet till grå struktur. Valsar gjuts i gjutjärnskokiller, vilket ger kokillhärdning, d.v.s. valsens ytlager snabbstelnar till vit, slitstark struktur samtidigt som det att valsens inre får en grå struktur med bättre seghet.

Gråjärnet är volymmässigt störst på gjutgodsmässigt. Gråjärnet är relativt billigt och har god gjutbarhet genom att grafitutskiljningen ger volymtillväxt under stelningsprocessen, vilket kompenseras krympningen och järnet fyller därigenom ut gjutformen väl. Den unika järngrafitstrukturen ger även god skärbarhet vid bearbetning, d.v.s. korta spånor, och det gör även att materialet dämpar väl mot buller och vibrationer. Dessa egenskaper i förening med det relativt låga priset gör att gråjärnet är ett mycket konkurrenskraftigt



- 14 -

konstruktionsmaterial trots att dragbrottgränsen är relativt låg, ca 150–350 MPa. Gråjärn används framförallt till motorblock och annat gods inom bilindustrin, rör och rördelar, kaminer samt hushållsgods så som t.ex. stekpannor. Det viktigaste legeringsämnet i gråjärn är kisel (1,5–3 %), detta då kisel underlättar bildningen av fjällgrafit. Legeringsämnet fosfor ökar flytbarheten under gjutprocessen, men för att undvika mikroporositeter hålls halten under 0,1 %. Ibland tillsätts även små mängder krom, nickel eller molybden för att öka hårdheten och nötningsmotståndet.

Segjärn är ett gjutjärn som är legerat med en liten halt magnesium, 0,03-0,06 %. Detta ger segjärnet avsevärt högre hållfasthet än gråjärnet (350–800 MPa), materialet blir också därigenom segt i stället för sprött. Segjärn används för maskindelar med höga krav på seghet och hållfasthet samt rör och valsar.

Aducerjärn har relativt låga halter av kol och kisel. Denna typ av gjutjärn gjuts med vit struktur, varefter cementiten överförs till grafit genom värmebehandling av det stelnande gjutgodset, aducering, vid ca 900°C, på detta sätt får aducerjärnet en högre hållfasthet och seghet jämfört med gråjärnet. Metoden har dock vissa nackdelar, det finns en begränsning i gjutgodsets tjocklek samtidigt som godset bör vara någotsånär jämntjockt för bästa resultat. Aducerjärnet är segt och har god skärbarhet och används framförallt till rördelar samt maskindelar, bildelar och lantbruksredskap av mindre storlek.

Vitjärn är hårt och slitstarkt, dessa egenskaper kan förstärkas ytterliggare genom att legera vitjärnet med krom och nickel. Vitjärn är svårt att bearbeta vilket gör att det sällan används ensamt som konstruktionsmaterial utan mestadels i detaljer där dess höga hårdhet och mycket goda nötningsbeständighet kan utnyttjas, t.ex. i krossplattor, kvarnfoder och valsar.

2.2.3 Gjutfel Gjutning är en väldigt komplicerad process där många parametrar bestämmer kvalitén på slutprodukten. I stort sett alla metalliska produkter genomgår en gjutnings- eller stelningsprocess någon gång under tillverkningsprocessen. Defekter kan finnas kvar i produkten även efter efterbearbetning och det är därför mycket viktigt att gjutningen sker på ett korrekt sätt eftersom det är mycket svårt att åtgärda fel som uppstått där senare i processkedjan. Nedan följer några exempel på olika gjutfel, hur de uppkommer och dess effekter på den gjutna detaljen [Kaad, 2003].

Inneslutningar inbäddat i gjutgodset strax under ytan. De kan bestå av slaggpartiklar som följt med metallen eller bildats under gjutningen, de kan även bestå av sandpartiklar eller oxidskinn. Sandpartiklarna utgörs av hela sandstycken eller enstaka korn som endera funnits i metallen och inte blivit frånskilt eller helt enkelt fallit ned i gjutformen. En annan orsak kan vara för svag eller torr formmassa. Oxidinnerslutningar förekommer främst vid gjutning av lättmetaller och bildar sega sammanhängande oxidskinn. Inneslutningarna ger upphov till sämre duktilitet och mekaniska egenskaper.

Gjutstruktur, t.ex. riktad stelningsstruktur (anisotropa egenskaper) och slumpvis stelnad struktur (isotropiska egenskaper), dendritstruktur (primärstrukturens grovlek) samt oxider och porositeter ger påverkar materialets kornstruktur vilket ger sämre mekaniska egenskaper.

Segring, ojämn fördelning av legeringsämnen ger upphov till utskiljning av ej önskvärda strukturer och sammansättningsvariationer. Mikrosegring sker över dendritstrukturen och makrosegring sker över gjutstyckets hela dimension.

Porositeter i gjutgodset försämrar hållfastheten betydligt men ger framförallt upphov till ett otätt gjutgods vilket skapar problem om godset skall vara trycktätt eller tätt mot vätske- och gasläckage. Tätkravet på ritning är inget gjutaren kan styra sin process mot,



- 15 -

gjutaren försöker alltid uppnå ett porfritt gods. En artikels storlek påverkar inte sannolikheten att porositeter uppstår, det är artikels komplexitet och eventuella godsanhopningar samt bearbetningsgraden som ökar risken för porositeter. Av sin natur bildas porositeter i betydligt högre utsträckning vid gjutning av aluminium än vid gjutning av andra metaller, bl.a. beroende på dess krympförmåga vid stelningsprocessen. Porositeter (se Figur 2-9) kan liknas vid en samling mikroskopiska håligheter i gjutgodset och ofta framträder de vid bearbetning, d.v.s. s.k. inneslutna (gömda inuti godset) eller blinda porositeter (håligheter öppna åt det ena hållet av gjutgodset) kan därigenom övergå till s.k. genomgående porositeter (läckpassage genom gjutgodset) där en gas eller vätska kan passera ut med hjälp av kapillärkrafter eller tryck. Utan bearbetning orsakar följaktligen inte de två förstnämnda typerna något läckage genom gjutgodset. Dock ger blinda porositeter upphov till läckage vid tätningsytor eller skruvförband. Orsaker till att porositeter uppkommer kan vara föroreningar i smältan eller själva stelningsförloppet. Krymp- eller sugningsporositet uppkommer vid otillräcklig matning av smälta till de sist stelnade områdena, höga halter av oxider i aluminiumlegeringar ger ofta upphov till detta. Gasporositet uppstår vid hög halt av gasbildande ämnen i smältan och gjutaren måste därför se till att urlufta under processens gång, d.v.s. att gasbubblorna leds ut på rätt sätt vid kritiska områden. Porer på godsets yta kan även vara ett problem om ytan skall lackeras eller behandlas, t.ex. kan ytan bli flammig eller skrovlig.

Figur 2-9 Tre typer av porositeter; gömd, blind och genomgående respektive [www.soundseal.se, 2007].

Restspänningar och sprickor, efter stelnandet fortsätter gjutstycket att krympa och lokala spänningskoncentrationer får materialet att spricka. Risk finns även för plastisk deformation.



- 16 -

2.3 Tätkontroll Tätkontroll genomförs för att upptäcka och lokalisera läckage. Man vill oftast kontrollera om mätobjektet uppnår de ställda tätkraven på ritning. Normalt använder man sig av ett annat medium än driftmediet för tätkontrollen, t.ex. luft, väte eller helium pga tidsbesparing, säkerhets- och/eller miljöskäl. Det är viktigt att man väljer rätt tätkontrollmetod, en för grov tätkontrollmetod kan registrera tätt för oacceptabla krav. Följden blir då helt enkelt mycket läckage i verkliga driftförhållanden. En för känslig metod kan istället ge upphov till omfattande onödiga kassationer och justeringar i tillverkningsprocessen.

På Scanias motormontering genomförs tätkontroll till viss del komponentvis innan montering, i samband med s.k. förmontering, men framförallt på hel motor innan motorprovning, där bränsle- och vattensystem trycksätts med luft, samt under motorprovningen då läckage detekteras med hjälp av ett färgmedel inblandat i olja, bränsle och vatten. Beror ett upptäckt läckage på materialtäthet försöker man sedan mäta upp läckageflödet på motormonteringens analysplats (Analysen). En komponentvis tätkontroll genomförs också i samband med tillverkningsprocessen ute hos Scanias underleverantörer. Tätkontrollen jämförs i detta skede med det fastställda tätkravet på ritningsunderlaget. Detta projekt behandlar framförallt de tätkontrollmetoder som används för att upptäcka just läckage genom porer i gjutgods komponentvis. Vid denna typ av tätkontroll är det viktigt att komponenten inte varit i drift eller varit i kontakt med någon typ av vätska, detta då vätskor har en tendens att sätta igen porer. Detta försvårar tätkontrollen och när sedan artikeln sätts i drift kommer porerna att öppnas upp igen pga värme och vibrationer. Igensättningen som sker beror vanligen dels på den kapillärkraft som uppstår, och håller kvar vätskan i poren, och dels på att det kan finnas orenheter i vätskan som sätter igen porerna. Igensättningen som sker i samband med kapillärkraft sker direkt då ett provobjekt kommer i kontakt med en vätska. Om tätkontrollen sker med någon form av vätska anses det vara förstörande provning. Om en vätska, t.ex. ett vattenbad används för läcksökning bör man i förebyggande syfte trycksätta objektet före kontakten med vätskan.

Figur 2-10 Metodträd tätkontroll.



- 17 -

2.3.1 Tätkontroll i produktion I produktionskedjan utförs löpande tätkontroller för att säkerhetsställa kvalitén hos produkten (se Figur 2-10). Vid dessa kontroller upptäcks eventuella läckage men någon lokalisering av läckan sker normalt inte. När tätkontrollen genomförs komponentvis är tätheten mellan fixtur och provobjekt av stor vikt. Om tätningen eller infästningen är dålig kan läckage uppstå och resultatet blir missvisande. För att minimera cykeltiden för mätningen använder man sig ofta av fyllnadskroppar för att minska den volym som måste trycksättas. Dessa kontroller sker normalt som en totalkontroll av hela provvolymen och kan därför ej skilja på huruvida ett påvisat läckage beror på en eller flertalet läckageställen, lokaliseringen sker genom s.k. läcksökning (se kapitel 2.3.2).

Vid tryckdifferensmätning eller referenstrycksmätning fästs provobjektet mot en tät fixtur. Provobjektet trycksätts med luft till ett specifikt tryck och eventuella läckage kan påvisas och mätas upp genom att mäta den tryckdifferens som uppstår efter en specifik mättid. Normalt sker mätningarna med ett övertryck i provobjektet men vakuum kan också användas. Det undertryck som skapas med vakuum gör att objektet blir självtätande och avsevärt mycket mindre känslig för temperaturvariationer. Tryckdifferensmätning kan ske med olika typer av instrument. Företag så som Nolek och Kontrollautomatik levererar allt från enkla lösningar med en enkel plugg och analog tryckmätare till mer avancerade mätsystem som reglerar tryckluft och mätning automatiskt.

Vid flödesmätning precis som vid tryckdifferensmätning fästs provobjektet mot en tät fixtur och trycksätts. Båda dessa mätmetoder benämns ofta som tryckmätande provning men de skiljer sig dock. Vid flödesmätning trycksätts provobjektet med luft till ett specifikt provtryck och det flöde som krävs för att bibehålla detta tryck mäts över mättiden. Detta flöde representerar läckaget. Fördelen med flödesmätning är det enkla handhavandet och att den enklare kan användas på ett större register av läckage jämfört med tryckdifferensmätning. Detta då flödesgivarna normalt har ett större mätregister och då ingen matematisk konvertering sker för att beräkna flödet.

Trycksättning i vattenbad är en provmetod som används flitigt på Scania för läckagelokalisering. Provmetod är relativt enkel då ingen mätapparatur behöver användas, enbart tryckluft erfordras. Provobjektet fästs på en tät fixtur och sänks ned i ett vattenbad, provobjektet trycksätts med luft och eventuella läckage kan påvisas och lokaliseras visuellt i form av bubblor. Dock kan det vara svårt att upptäcka mindre läckage då små luftbubblor på objektets yta kan vara svåra att skilja från små läckage. Godstjocklek och ytstruktur på provobjektet inverkar också till att göra metoden något osäker. Provning i vattenbad är dock en förstörande provning, detta pga den igensättning som sker vidi kontakten med vätskan. Metoden har dock den fördelen att man på ett relativt enkelt sätt kan upptäcka och även lokalisera ett läckage, jämför punktering på cykelslang.

Spårgasmätning används normalt för relativt små läckage, d.v.s. då höga krav ställs på tätheten hos t.ex. ett gjutgods. Man brukar säga att ett tryckmätande instrument klarar att mäta läckagenivåer ner till storleksordningen 10-20 mm3/s vid en bars övertryck med tillräcklig tillförlitlighet, där under bör spårgasmätning användas. Som spårgas är ädelgaser, t.ex. helium fördelaktiga att använda då dess molekylstruktur gör att de utbreder sig snabbare och jämnare över hela provvolymen. En annan metod är att använda sig av vätgas. Vid spårgasmätning stänger man oftast in provobjektet i en kammare för att sedan trycksätta objektet med en spårgas. Eventuella läckage mäts sedan upp i form av koncentrationen utläkt spårgas i den omgivande luften som innesluts av kammaren. Spårgasmätning används ofta också som läckagelokaliseringsmetod med ett s.k. sniffermunstycke. Normalt använder man sig av en fixtur för att täta och fixera



- 18 -

både provobjekt och kammare. Fördelar med spårgasmätning jäntemot tryckmätande provning är bl.a. att mätkänsligheten är betydligt större och att mätningarna är temperaturoberoende. Nackdelar är dock att driftkostanden för att använda en spårgas är högre än tryckluft samt att man behöver viss extra utrusning till ett spårgasmätande instrument så som t.ex. kammare.

2.3.2 Läcksökning Det är ofta av intresse att lokalisera ett påvisat läckage, s.k. läcksökning (se Figur 2-10). Nedan följer ett antal sätt att lokalisera läckage:

Trycksättning i vattenbad, genom vattenbad kan man både påvisa och lokalisera läckage. Viktigt är att man trycksätter objektet innan kontakten med vätskan för att förhindra igensättning pga vätskans kapillärverkan.

Provning med såpvatten, med en vatten- och såpablandning eller läckspray kan man på ett enkelt sätt visuellt lokalisera ett läckage i ett trycksatt provobjekt. Bubbelvätskan appliceras vanligen vid de områden där man av erfarenhet vet att läckage brukar uppstå, t.ex. vid tätningar, svetsfogar och slangkopplingar. Vid ett eventuellt läckage bildas stora mängder bubblor kring läckagestället. En nackdel med metoden är att vid små läckage kan bubbelbildningen vara så liten att den lätt förbises, och vid relativt stora läckage kan all bubbelvätska blåsas bort av trycket och därför förbises.

Spårgasdetektering med detektor, en spårgasdetektor, även kallad ”sniffer”, är ett handburet instrument som långsamt förs över ett provobjekt trycksatt med en spårgas. Då detektorn upptäcker läckt spårgas hörs en ljudsignal. Läckagelokaliseringen sker manuellt och är därför väldigt operatörsberoende. Detta medför att mätningen är svår att repetera och resultatet kan vara missvisande. Denna metod av läckagelokalisering används normalt i kombination med spårgasmätning i kammare.

2.3.3 Tätkontrollinstrument Den svenska marknaden för tätkontrollutrustning utgörs av ett fåtal leverantörer, främst Nolek AB och Kontrollautomatik Svenska AB, i Norsborg respektive Tullinge utanför Stockholm, samt Adixen Sensistor AB i Linköping. Nolek är huvudsaklig leverantör av täthetskontrollutrustning till Scania och många av dess underleverantörer, Nolek utvecklar och tillverkar bl.a. mätinstrument, fixturer, maskiner och programvaror. Under examensarbetet utfördes de flesta mätningarna med hjälp av ett instrument från Nolek med beteckningen S9. Instrumentet var utrustat för både tryckdifferensmätning (övertryck och undertryck) samt flödesmätning, se Figur 2-11. Kontrollautomatik utvecklar även de tryckmätande instrument samt tillhörande fixturer, maskiner och programvaror. Tryckmätande tätkontrollinstrument som både kan mäta flöde och differenstryck är normalt dyrare men mer flexibla än rena tryckdifferenssinstrument. Adixen Sensistor är världsledande inom tätkontroll med hjälp av vätgasteknik, de samarbetar även mycket med Kontrollautomatik för utveckling av fixturer och maskiner till sina instrument. Härefter beskrivs funktionen hos några tätkontrollinstrument/metoder som förekommer i detta examensarbete.



- 19 -

Figur 2-11 Tryckmätande tätkontroll av sidolucka med hjälp av en Nolek S9.

Tryckmätande instrument

Vid flödesmätning trycksätts provobjekt med ett specifikt provtryck och efter att trycket har stabiliserats genomförs mätningen på det flöde som tillförs för att kompensera det tryckfall som ett eventuellt läckage skapar. Flödet mäts med en massflödesmätare vilket har fördelen att flödet mäts upp direkt och att mätaren klarar av ett stort register av läckage. Läckageflödet presenteras kontinuerligt och det maximala provtrycket bibehålls under hela mätprocessen. Kalibrering utförs med den inbyggda kalibreringsläckan som ställs in på önskat tätkrav. Se Figur 2-12.

Figur 2-12 Schematisk skiss över flödesmätande instrument [Hedlund, 2007].

Vid tryckdifferensmätning trycksätts provobjektet och den inbyggda referensvolymen med ett specifikt provtryck (se Figur 2-13). Vid trycksättning låter man först trycket stabilisera sig innan mätning genomförs. Mätningen sker med en tryckdifferensmätare som består av ett membran placerad mellan provobjekt och referensvolym, ett eventuellt läckage påvisas som den tryckskillnad som uppstår mellan dessa. Tryckdifferensmätning kan även genomföras med undertryck tillskillnad mot flödesmätande instrument, detta då massflödesgivare inte kan mäta flödet på ”ingenting” (se kapitel 4.2). Framförallt är det den avsevärt minskade temperaturkänsligheten som eftersträvas. Mätmetoden mäter tryckdifferensen mot ett givet läckagegränsvärde men ett läckageflöde kan även med



- 20 -

denna metod presenteras. För att kunna beräkna flödet jämförs tryckfallet som sker i provobjektet under mätning mot det tryckfall som sker via det inbyggda kalibreringsläckaget. Genom att läckageflödet ur kalibreringsläckaget är känt kan mätinstrumentet sedan konvertera den uppmätta tryckskillnaden till ett läckageflöde (se bilaga 5). Flödet presenteras dock med mindre precision jämfört med vanlig flödesmätningen, detta då två mätningar måste göras och därtill även en konvertering mellan dessa. Detta innebär dock inte att mätmetoden är mindre tillförlitlig då det fortfarande är den uppmätta tryckskillnaden som avgör om läckage är inom ritningskraven eller ej. Det presenterade flödet används främst för att på ett lättare sätt kunna relatera till de gällande tätkraven som oftast är specificerat som ett flöde på ritningsunderlaget. Kalibrering utförs med den inbyggda kalibreringsläckan som ställs in på önskat tätkrav.

Figur 2-13 Schematisk skiss över tryckdifferensmätande instrument [Hedlund, 2007].

Spårgasackumulerande instrument

Tätkontrollmetod där ett provobjekt trycksätts med en spårgas, mängden utläckt spårgas mäts i en omgivande kammare. Ett exempel på denna typ av tätkontroll är vätgasackumulerande provning där man låter en spårgas innehållande 5 procent vätgas läcka ut ur provobjektet under en viss tid [Enquist m.fl., 2007]. Spårgasen samlas därefter upp i den omkringliggande kammaren, se Figur 2-14 men metoden kan även konstrueras omvänt. Koncentrationen av vätgas inuti kammaren ökar linjärt med tiden och beror på förhållandet mellan kammarvolym och läckages storlek. Detta gör att det med en tillräckligt lång tid är möjligt att upptäcka nästan alla läckagenivåer oberoende av artikelns storlek. Medelkoncentrationen av vätgas i kammaren mäts efter en viss tid i ppm (parts per million) och kalibreras om till ett flöde, likt vid tryckdifferensmätning, med hjälp av en inbyggd kalibreringsläcka. Teoretiskt kan även läckaget räknas om till ett flöde med hjälp av ekvation 2.1. Ett ackumulationssystem måste dock ha en påtvingad cirkulation av något slag (t.ex. en pump eller en fläkt) för jämn fördelning av spårgasen med luften inuti kammaren, kortare ackumulationstider gör behovet än större.



- 21 -

Figur 2-14 Principskiss av spårgasackumulerande provning med vätgas.

tV

QCCkammare

sårgasvätgas ⋅= (2.1)

C = medelkoncentration av vätgas i kammaren [ppm]

Cspårgas = koncentrationen av vätgas i spårgasen [ppm]

Q = läckageflöde [atm cm3/s]

Vkammare = volym runtom provobjektet inuti kammaren [ml]

t = ackumuleringstid [s]

2.3.4 Säkerhet gällande provning med över- eller undertryck Arbetsmiljöverkets senaste föreskrift angående provning med över- eller undertryck, AFS2006:8 är en kraftigt omarbetad version mot tidigare utgåvor. Föreskriften har omarbetats för att vara tydligare med krav på säkerhet men samtidigt inte vara lika detaljstyrande som tidigare utgåvor. Vid tätkontroll med gaser är det speciellt viktigt att föreskriften efterföljs. Föreskriften ställer långtgående krav på kompetens hos provningspersonal samt kontroll av provningsutrustning. Detta då komprimerad gas innehåller energi som frigörs om ett kärl eller en ledning brister. Om detta inträffar expanderar gasen och risk finns att lösa objekt skjuts iväg likt projektiler vilket kan skada människor och egendom. Provning med vätskor är inte lika riskfyllt då vätskor kan sägas vara icke kompressibla genom att det enbart är den lilla gasmängden inuti vätskan som komprimeras. I en vätska ligger molekylerna ungefär lika nära som i en fast kropp men molekylerna är inte ordnade i gitter och molekylärkrafterna verkar mindre sammanhållanden än i en fast kropp. Molekylerna är därför inbördes mycket lättrörliga och vätskan följer därför kärlväggarnas form och vätskeytan inställer sig horisontellt. I en gas däremot ligger molekylerna långt mer isär än i en vätska vilket gör att de kan röra sig fritt i förhållande till varandra utan större inverkan av molekylärkrafterna. En gas utbreder sig därför över hela rummet och blandar sig med andra gaser. Antalet molekyler i en gasmassa är därför litet i förhållande till dess volym och därför kan en gas innesluten



- 22 -

i ett kärl komprimeras till en liten del av den ursprungliga volymen.

Arbetsmiljöverkets föreskrift [Middelman, 2006] gör gällande att provning med gaser skall utföras av ett kontrollorgan eller organisation från ett EES-land som är ackrediterat för uppgiften enligt lagen om teknisk kontroll (1992:1119) eller uppfyller motsvarande garantier om teknisk och yrkesmässig kompetens. Dock gör föreskriften även gällande att de ovan nämnda kraven inte behöver uppfyllas om kontrolltrycket är lägre än 0,03 bar eller när kontrolltrycket är lägre än 3 bar och produkten av kontrolltrycket och anordningens interna volym (bar x liter) är högst 30. Kravet på att ett kontrollorgan utför provningen behöver inte heller uppfyllas då anordningen tidigare genomgått tryckkontroll vid tillverkning eller när provning genomförs i en för provningen särskilt konstruerat skyddsanordning som ger betryggande personskydd.

För gas som ej innehåller tillräckligt med syre föreligger också en fara i kvävningsrisken vid hastiga utsläpp i begränsade och dåligt ventilerade utrymmen. Problemet är ovanligt men nog så farligt om det händer då medvetslöshet hos en människa inträffar snabbt även om syrehalten bara sjunker med några procentenheter. [Enquist, 2007]

Några generella risker man bör beakta är följande:

• Stora volymer i kombination med höga tryck förknippas med fara

• Trycksätt aldrig ett objekt (även slangar och kopplingar) till högre tryck än det är avsett för

• En trycksatt slang som lossnar kan fungera som en piska och slå omkring sig

• För tillverkning och svetsning av tryckkärl krävs tillstånd

• Arbeta aldrig med stora gasvolymer i små och/eller dåligt ventilerade utrymmen

• Provning skall normalt ske inom särskilt avgränsat område där endast behörig personal får vistas

• Eventuella tillstånd för provning delas ut efter granskning av yrkesinspektionen



- 23 -

2.4 Impregnering av gjutgods Det finns ett antal metoder för att täta porositeter i gjutgods, t.ex. ytbehandling och ”kalltätning” (deformation) men endast impregnering, eller vad många felaktigt kallar ”soundseal” är relevant och berörs därför endast i denna rapport.

Impregnering innebär att ett polymeriskt tätningsmaterial tränger in i porositeterna med hjälp av vakuum har denna typ av tätningsmetod integrerad i sin produktion. Alla metaller samt polymeriska och keramiska material är möjliga att impregnera. Även väldigt stora komponenter kan impregneras genom att upprepa behandlingen eller förlänga tätningscykeln. Är porerna i materialet alltför stora kommer dock inte impregneringen att vara tillförlitlig och man begränsar sig därför till läckageflöden i storleksordningen ca 200-300 mm3/s vid 1 bar. Ett företag som har metoden som sin huvudsakliga inkomstkälla är Soundseal AB i halländska Getinge. Företaget är de enda i Sverige som specialiserat sig på att ta emot gjutgods för tätning, täta, och sedan sända tillbaka produkten till kunden. Alteams OY utanför Wasa i Finland levererar bl.a. sidoluckor för motoroljekylare till Scania och företaget använder sig av denna metod i sin tillverkning. Författarna gjorde ett studiebesök hos Alteams OY under ett tidigt skede av projektet och fick möjligheten att studera processen.

Impregneringen görs i produktionsledets sista del, när detaljerna är färdigbearbetade, eftersom alla eventuella porer då har blottats. Endast i undantagsfall tätas obearbetat gods, detta görs när läckagegraden är känd för hela detaljen och det porösa området inte skall bearbetas efter tätning. Bearbetning efter tätning kan som bekant leda till att ytterligare porositeter öppnas.

Metoden har visat sig vara väl fungerande sedan 70-talet och inom fordons- och flygindustrin är det många stora företag som använder denna teknik, både i egen regi eller genom att anlita specialiserade företag likt Soundseal. Vissa företag använder impregnering för att kunna säkerhetsställa kvaliteten så pass mycket att ingen tätkontroll överhuvudtaget behöver genomföras [www.soundseal.se, 2007]. Tillexempel kan en tillverkare genom att använda sig av statistisk försökskontroll säkerställa att produkten är tät. Soundseal själva anser också att kostnaden för att genomföra impregneringen är lägre än kostnaden för t.ex. en ändring av gjutprocessen, som eventuellt behöver genomföras då kvaliteten måste höjas på gjutgodset.

Vid impregnering placeras normalt de komponenter som skall tätas i en autoklav. Komponenterna är tvättade och placerade i någon form av korg eller ställning. Autoklaven trycksätts med vakuum för att tömma porerna på luft och därigenom tränger tätningsmedlet lättare in. Tätningsmedlet ligger vanligen i autoklaven från början men kan med fördel introduceras under trycksättningen för att få en effektivare tätning. Detta då en effektivare tömning av porerna uppnås om tanken endast är fylld med luft. För att uppnå en ännu effektivare tätning kan man även introducera ett övertryck i autoklaven efter det att man använt vakuum. Övertrycket pressar då in ytterligare tätningsmedel i porerna. Efter att själva tryckcykeln är genomförd återställs trycket och komponenterna värmebehandlas för att härda tätningsmedlet, efter detta rengörs komponenterna med vatten och impregneringscykeln slutförs. Vilken metod som används beror vanligen på vilken tätningsgrad som skall uppnås. Att introducera tätningsmedlet i ett senare skede av processen och att använda övertryck ger en förbättrad tätning som nämnts ovan, men detta kräver också extra utrustning vilket höjer kostnaden. Övertryckscykeln förlänger även den totala cykeltiden och ökar därmed kostnaden. Hela processen med förberedande arbete, impregnering samt härdning tar uppåt en timme att genomföra och normalt behövs en operatör för att genomföra allt arbete (se Figur 2-15).



- 24 -

Figur 2-15 Impregneringsprocessen med separat fyllning och övertrycksfas.

Tätning kan också genomföras på enskilda komponenter. Istället för att använda en autoklav för att innesluta tätningsvätskan och objektet använder man här själva objektet som behållare. Objektet tätas mot en fixtur och tätningsmedlet pressas in med ett övertryck. Övertrycket bibehålls normalt tills det att man visuellt kan verifiera att tätningsmedel läcker ut ur objektet. Den erhållna tätningen uppnår god kvalitet men till skillnad från tätning i autoklav kan endast ett objekt tätas åt gången. Detta gör att denna metod av impregnering ej är ekonomiskt hållbart för normalstora komponenter men då autoklaven är för liten för att innesluta komponenten kan det vara ett alternativ.

De tätningsmedel som används varierar beroende på fabrikat och det material som ska tätas. De består vanligen av polymerer som, efter att de har stelnat, har väldigt hög beständighet mot kemikalier, tryck och värme. Kostnaden för förbrukat tätningsmedel är knappt en krona per kilo aluminium som tätas [www.soundseal.se, 2007]. Tätningen anses vara permanent och försämrar inte på något sätt materialegenskaperna hos tätningsobjektet, snarare tvärtom [www.impco-inc.com, 2007]. Dock hävdar icke-förespråkarna att man vid extrema temperaturvariationer kan få det härdade tätningsmaterialet att släppa från gjutgodset [Pettersson, 2007]. Detta beror på skillnaden i längdutvidgningsförmåga hos de två materialen. Då man impregnerar ett material fyller man igen såväl öppna porer som blinda porer. Impregnering kan således inte bara användas för att stoppa läckage utan även för att förebygga dessa. Genom att impregnera ett material höjer man dess kvalitet menar förespråkare.

Det är dock väldigt svårt att avgöra om man skall impregnera en artikel. Beslutet bör baseras på artikelns kostnad (komplexitet), funktion och placering. Artikelns placering i det slutmonterade systemet kan resultera i att den är svår att demontera, det kan då



- 25 -

vara lämpligt att impregnera denna då det är allt för dyrt och komplicerat att byta ut den läckande artikeln.

Fördelar:

• Kvalitetshöjande

• Kan eliminera behovet av tätkontroll

• Dyr och komplicerad artikel kan ”räddas”

Nackdelar:

• Förlänger tillverkningsprocessen (1 tim + eventuell transport)

• Ökar artikelkostnaden (tätningsmedel + personal + driftkostnad + ev. transport)



- 26 -

3 Läckagefysik i samband med tätkontroll Efter den inledande förstudien gjordes en mer omfattande studie av läckagefysik i samband med tätkontroll. Innehållet i denna del av rapporten är inhämtad genom litteraturstudier, studiebesök och omfattande egna försök, innehållet utgörs nästan uteslutande av kunskap som inte funnits inom Scania tidigare. Egna analyser och teorier har varvats med inhämtad kunskap.

3.1 Definition av läckage “An unwanted loss, or leak of something which escapes from its proper location. In everyday usage, leakage is the gradual escape of matter through a leak-hole. Leakage is a process in which material is lost, intentionally or accidentally, or painfully (psychology) gradually through the holes or defects of their containers. The indigenous material lost is usually fluid, usually liquid or powder and sometimes gas, from an imperfectly sealed container. Often, leakage can be disastrous if the leaked material is harmful or corrosive.” [www.wikipedia.org, 2007]

Ovan definition är i lite mer filosofiska termer men för att vara lite mer specifik används ofta olika bedömningsskalor för att kunna sätta någon form av visuellt gränsvärde för vilka läckagenivåer som kan accepteras. Enligt Ojaniemi [2007] kan man säga att gränsen hos Scania är fastställd till företagets miljökrav, d.v.s. att inte någon nedsmutsande vätska får droppa från lastbilen. För att få någon typ av säkerhetsmarginal har man därför sagt att maximalt läckage efter långcykelprovning är ”fuktig fet yta”.

Enligt Enquist [2007] är de vanligaste orsakerna till att läckage uppstår:

• Porositeter i löd och svetsfogar

• Porositeter i gjutgods

• Läckage i limfogar

• Läckage pga felaktigt applicerade tätningsdetaljer

• Läckage beroende på otillräcklig ytjämnhet eller porositeter i packningsytorna

• Sprickor som uppstår vid bockning eller annan materialdeformation

Som tidigare nämnts är detta examensarbete avgränsat till porositeter i gjutgods. En pors storlek förändras inte nämnvärt när ena sidan av läckan utsätts för ett tryck tillskillnad från t.ex. en defekt i en skarv mellan två plastdetaljer eller två tunna plåtar av stål som är väldigt tryckberoende. Just formförändring beroende av trycket är heller inte speciellt vanligt vid provning industriellt men det är ändå vikigt att man är medveten om fenomenet när man väljer tryck och flödesriktning i samband med tätkontrollen. Dock kan en pors fysikaliska dimensioner ändras pga temperaturen beroende på materialets längdutvidgningsförmåga.

Man måste dock vara medveten om att flödet genom en porositet är beroende av trycken upp- och nedströms, d.v.s. att om tryckskillnaden ökar över läckan så kommer flödet att öka. Man brukar säga att vid vätskeläckage ökar flödet linjärt med trycket och vid gasläckage ökar oftast flödet kvadratiskt med tryckökningen, mer om detta i kapitel 3.2.

Storleken på ett läckage uttrycks i en mängd olika enheter, t.ex. liter/s, gram kylmedel/år, ml/s eller Pa/s. Den vanligaste enheten för gas- eller luftflöde är ml/s eller cc/s (cm3/s), inom fordonsindustrin i Sverige används dock av någon anledning mm3/s. SI-enheten för läckageflöde är dock Pam3/s (1 Pam3/s = 10 atm cc/s eller 10 000 atm



- 27 -

mm3/s). Här ser man dock en möjlig anledning till varför man använder sig av just mm3/s, d.v.s. för att slippa använda tiopotenser. Som framgår av SI-enheten har man tagit hänsyn till att en gas upptar olika volym vid olika tryck. Enheten går att översätta i massenheter om gasens eller gasblandningens densitet är känd. En fullständig definition på en läckagegräns måste därför också innehålla en uppgift om vid vilket tryck läckagegränsen är definierad, vanligen atmosfärstryck. Man måste givetvis också definiera vilken gas eller vätska som läckagegränsen gäller för beroende på att olika gaser och vätskor har olika densitet och viskositet. En fullständig definition av ett läckage bör därför vara t.ex. 25 atm mm3/s luft vid 1,5 bars övertryck. Det normaliserande attributet ”atm” betyder ”atmosfärsvolymer” vilket talar om att den volym luft som läckt ut per sekund upptar 25 mm3 vid normalt lufttryck (1,013 bar) och rumstemperatur (20°C). Enheten används främst då man vill specificera ett massflöde och i praktiken används dock sällan normerande flöden utan man skriver oftast t.ex. mm3/s. Oavsett om detta beror på slarv eller okunnighet så kan det i allmänhet antas att normalvolymer avses, dock kan detta sätt att skriva orsaka missförstånd för personer som inte här helt insatta i detta sätt att tänka då provtryck och det tryck flödet definieras i kan blandas ihop. [Enquist, 2007]

Man skulle även kunna ta upp diskussionen om man istället bör mäta och definiera ett läckage som en tryckskillnad (t.ex. Pa/s) istället för ett flöde när man använder sig av tryckmätande instrument. Detta beroende på att det ofta kan sägas vara en enklare och snabbare metod för mätinstrumentet då flödesmätaren ofta är långsammare än tryckmembranet. Dock begränsar ett sådant tätkrav vilken tätkontrollutrustning en tillverkare bör använda samt så är tryckdifferensmätning beroende av objektets volym vilket gör enheten betydligt mindre generell. Detta kan bidra till att en mindre lämpad metod för en viss artikel används men framförallt till att man inte kan använda sig av generella krav likt 25 mm3/s vid 1,5 bar.

3.2 Strömning genom porositeter Beroende på provtrycket, porens storlek och geometri kan flödet delas in i fem olika typer av strömning: turbulent, laminärt, molekylärt, övergångsflöde samt kritiskt eller strypt flöde [Enquist, 2007]. I verkligheten förekommer ofta en blandning av två eller flera av dessa strömningstyper men det är oftast tillräckligt att bara känna till att de fem olika typerna existerar och att det i de flesta fall är laminärt flöde som förekommer vid gas- och vätskeläckage runt de gällande tätkraven. Enligt Nylander [2007] kan strömningen oftast sägas vara laminär beroende på att porositeterna ofta är så pass små att turbulent gasflöde inte kan uppstå, det finns helt enkelt ingen plats för molekylerna att börja virvla i någon större utsträckning. Dock kan virvlar uppstå lokalt vilket gör att man då kan sägas ha ett blandflöde genom poren. Ofta är ett läckage inte heller ett enskilt hål utan det kan vara en porös del i materialet, d.v.s. många mycket små hål som visuellt upplevs som ett enda porositet men där vanligen strömningen har övergått från laminärt till molekylärt flöde. Geometrin hos en por kan ofta också vara likt en slingrande väg.

För att ett flöde skall kunna uppkomma krävs en tryckskillnad över läckaget för att överkomma friktionen inuti poren. Som tidigare nämnts är flödet beroende av tryckskillnaden över läckagestället. Man säger att flödet förhåller sig linjärt med trycket vid vätskeläckage och oftast kvadratiskt med trycket vid gasläckage [Enquist, 2007]. Detta beror just på att vätskeläckage är icke kompressibla och gasläckage är kompressibla. Det är också anledningen till att tillverkare av tryckmätande utrustning gärna vill ”förenkla” och säga att både gas- och vätskeläckage är linjärt beroende med provtrycket vilket förenklar omräkningen. Turbulent och laminärt flöde styrs, tillskillnad från de andra flödestyperna, av gasens eller vätskans viskositet. För gaser uppträder



- 28 -

visköst flöde då avståndet mellan gasmolekylerna är så pass litet att de krockar med varandra mycket oftare än de krockar med porväggarna. Reynolds tal är en viktig parameter för att bestämma om ett flöde är turbulent eller laminärt. Reynolds tal är ett dimensionslöst förhållande mellan tröghet och friktion i ett strömmande medium. För ett cirkulärt rör definieras Reynolds tal (Re) enligt formel 3.1, där v är gasens hastighet, D är rörets (porens) diameter och µ är den kinematiska viskositeten.

µvD

=Re (3.1)

Vid Re<2000 dominerar de viskösa krafterna i mediet och strömningen blir laminär. Vid Re≥4000 dominerar tröghetskrafterna det strömmande mediet och strömningen blir turbulent, i det kritiska området mellan Re≥2000 och Re≤4000 är strömningsförhållandena obestämda, antingen laminära eller turbulenta eller en blandning av båda.

I teorin som följer antas just att läckaget är ett cirkulärt rör. Denna förenkling görs för att teoretiskt kunna omvandla läckageflöden mellan olika tryck. Att omvandla vätskeläckage till gasläckage och tvärtom genom teoretiska samband är som senare ska diskuteras relativt svårt beroende på de skilda förhållandena som råder mellan just gas och vätska (se kapitel 3.4).

I verkligheten finns det dock ett antal faktorer som gör läckagets storlek mindre än det teoretiska bl.a. läckans geometri, avdunstning, kapillärkrafter, korrosion samt igensättning och ytspänning.

Kritiskt flöde eller strypt flöde uppstår då flödeshastigheten når ljudhastigheten [Enquist, 2007]. Antag en läcka i form av ett hål i en tunn folie, och antag även att trycket uppströms läckan är konstant. Om trycket nedströms sänks gradvis så kommer hastigheten hos gasen som strömmar genom läckan att öka till den uppnår ljudhastigheten. Trycket nedströms då denna hastighet uppnås kalla det kritiska trycket och om trycket nedströms sänks ytterliggare så kommer inte flödeshastigheten, och därmed inte heller flödet att öka. Tillståndet kallas kritiskt flöde. Två villkor måste dock vara uppfyllda för att kritiskt flöde skall uppstå:

• Läckan måste vara tunnväggig eller konisk så att flödesmotståndet uppströms öppningen är försumbart.

• Trycket nedströms läckan ska vara mindre än hälften så stort som trycket uppströms.

Strypt flöde uppstår oftast i tunnväggiga material och i området 0,1 atm cm3/s (100 mm3/s) och uppåt. Flödet är linjärt tryckberoende eftersom ljudhastigheten endast påverkas marginellt med trycket. Det är dock starkt temperaturberoende men vid väldigt små temperaturförändringar kring rumstemperatur kan det dock försummas. För luft beräknas flödet enligt formel 3.2.

pDQ 2100= (3.2)

Enheterna ska vara mm och bar (absolut) och p definieras uppströms läckan. Ett exempel är att ett 0,1 mm hål ger ett flöde av storleken 1 cm3/s, om ingångstrycket är atmosfäriskt.

Laminärt flöde är som tidigare nämnts den vanligaste flödestypen i



- 29 -

tätkontrollsammanhang [Enquist, 2007]. Rent allmänt är det inte den vanligaste flödestypen men upp till de flöden som oftast anges som en övre gräns för tillåtet läckage kan man oftast anta att läckaget är laminärt. Som tidigare nämnts så säger man att rörströmningen är laminär vid Reynolds tal mindre än 2000. Det innebär att olika skikt av mediet rör sig i förhållande till varandra i god ordning. Hastighetsprofilen är parabolisk med den högsta hastigheten i centrum av röret, vid rörets väggar är gasens hastighet noll (se Figur 3-1). Flödet beräknas enligt formel 3.3.

Figur 3-1 Hastighetsprofil laminär strömning.

( )22

21

4

256pp

lDQ −⋅

=η

π (3.3)

p1 = absolut tryck uppströms läckan [Pa]

p2 = absolut tryck nedströms läckan [Pa]

η = gasblandningens viskositet [Ns/m2]

I formeln kan man se att flödet ökar kvadratiskt med tryckskillnaden och att flödet är beroende av gasens viskositet.

Fullt utvecklat turbulent flöde i cirkulära rör uppstår vid Reynolds tal högre än 4000. I turbulent flöde är tröghetskrafterna i det strömmande mediet dominerande och karaktäristiskt för flödestypen är att partiklarna rör sig slumpvis i strömningstvärsnittet, Figur 3-2 visar medelhastigheten i varje punkt. Inom detta område är de viktigaste skillnaderna mellan laminärt och turbulent flöde att turbulent flöde är linjärt beroende av trycket, likt tidigare diskuterats, samt att så är turbulent flöde betydligt mindre beroende av porens diameter [Enquist, 2007]. Ytjämnheten hos porens väggar har dock stor betydelse. Detta gör att det är teoretiskt svårt att beskriva turbulent flöde genom porositeter. Dock bör man beakta att vid tillräckligt höga tryck bryter alla laminära flöden ihop vilket gör att det inte alltid går att räkna med ett kvadratiskt tryckberoende och därför bör man räkna linjärt vid stora läckage, mer om det i kapitel 3.3.



- 30 -

Figur 3-2 Hastighetsprofil turbulent strömning.

Molekylärt flöde uppträder då den fria medelväglängden (medelavståndet som en molekyl färdas innan den kolliderar med en annan molekyl) blir väsentligt mycket större än porens diameter, vilket sker då höga vakuumtryck uppnås eller då pordiametern är väldigt liten [Enquist, 2007]. Detta gör att viskositeten saknar betydelse men molekylvikt och temperatur spelar dock roll eftersom dessa parametrar avgör hur fort gasmolekylerna rör sig. Molekylernas hastighet avgör hur många gånger per sekund varje molekyl rör sig i riktning mot läckans mynning. Trycket påverkar genom att öka sannolikheten för att någon av alla molekylerna ska träffa läckagemynningen och ”slinka” ut. Flödestypen är dock inte vanlig i industriella tätkontrollsammanhang, förutom vid kylvätskeläckage. Flödet beräknas enligt formel 3.4.

( )21

3

62 pp

lD

MRTQ −=

π (3.4)

l = läckans eller porens längd i flödesriktningen [m]

R = allmänna gaskonstanten [8,314 J/mol/K]

M = molekylvikten [g/mol]

Enligt formeln ökar flödet linjärt med tryckskillnaden samtidigt som flödet beror på kvadratroten av molekylvikten.

Övergångsflöde uppstår i gränszonen mellan laminärt och molekylärt flöde [Enquist, 2007]. Båda typerna förekommer egentligen alltid parallellt men det ena flödet blir helt dominerande när flödet ligger långt ifrån gränszonen. Vid beräkning av flödet i övergångszonen adderar man ekvationerna för molekylärt och laminärt flöde med en korrektion för det molekylära flödet (formel 3.5).

( ) ( )21

322

21

4

62

64pp

lD

MRTpp

lDQ −+−⋅

=π

ηπ

(3.5)

Ekvationerna ovan finns det sällan användning för men det kan ändå vara bra att förstå dem för att få en känsla för mekanismen bakom de olika flödestyperna. En användning av ekvationen är dock att beräkna den ekvivalenta hålstorleken för ett visst flöde genom att räkna baklänges från flöde till läckdiameter. Ekvationerna gör det även möjligt att för ett visst flöde beräkna den aktuella flödestypen.



- 31 -

3.3 Förhållandet mellan provtryck och läckage Oavsett om man mäter läckage som ett flöde eller differenstryck så finns det ett behov av att kunna omvandla ett specifikt läckage vid ett visst tryck till ett gränsvärde som gäller vid ett annat tryck. Förhållandet mellan provtryck och läckage måste således utredas och detta beror till stort del på vilken typ av flöde som uppstår genom läckaget. För gaser gäller att vid turbulent strömning är förhållandet helt linjärt och vid laminär strömning är förhållandet kvadratiskt. Detta beror på att gaser är kompressibla och vid ökat tryck får man inte bara en ökad flödeshastighet utan även ett ökat massflöde beroende på att gasen komprimeras (molekyltätheten ökar). För vätskor är förhållandet däremot alltid linjärt beroende på att vätskor är icke kompressibla och det endast är flödeshastigheten som ökar med ökat tryck. Formel 3.6 [Moore, 2007] avser det kvadratiska förhållandet mellan provtryck och flöde som gäller för gaser, detta samband kan härledas ifrån formel 3.3 i kapitel 3.2 som i sin tur bygger på den ovannämnda teorin. Viskositeterna η1 och η 2 är i detta fall lika stora och behöver därför ej tas med i beräkningarna. Vid höga vakuumtryck kan strömningen också övergå till molekylär strömning, som tidigare diskuterats, detta gäller dock främst för mycket små läckage som ej är relevanta för gällande tätkrav.

23

24

21

22

2

112 pp

ppQQ−−

=ηη

(3.6)

Q2 = nytt tätkrav [mm3/s]

Q1 = föregående tätkrav [mm3/s]

p4 = föregående provtryck [bar]

p3 = föregående omgivande tryck [bar]

p1 = nytt omgivande tryck [bar]

p2 = nytt provtryck [bar]

η1 = Föregående viskositet [Ns/m2]

η2 = ny viskositet [Ns/m2]

I verkligheten uppstår dock stora variationer beroende på porens geometri och dimension vilket gör att den teoretiska formeln ovan ibland kan vara missvisande. Förhållande mellan provtryck och gasläckage i en verklig por kan antas hamna någonstans mellan linjärt och kvadratiskt och teorierna kan ses som de två extremfall som kan uppstå. Varje por är också individuell och varje specifikt läckage kommer därför att uppträda olika. När man beräknar ett nytt gränsvärde för ett specifikt tryck bör man således utgå från det angivna tätkravet och sedan välja den beräkningsmetod som ger det ”säkraste” alternativet, d.v.s. man accepterar att det nya gränsvärdet blir ”striktare” än utgångsvärdet för att kunna garantera att ett läckage ej uppstår. Man räknar helt enkelt konservativt. Detta innebär att vid en sänkning av provtrycket antas ett kvadratiskt flöde och vid höjning av provtrycket antas ett linjärt flöde (illustreras av det gula området i Figur 3-3). Vid tryckhöjning kommer dessutom gasflödet alltid att övergå från laminärt till turbulent vilket också stödjer det konservativa beräkningsförfarandet. Om istället praktisk provning skulle användas för att omvandla gränsvärdet kommer en liknande situation som den ovan nämnda uppstå. Vid provning används vanligen en



- 32 -

kalibreringsläcka som motsvarar givet tätkrav och sedan görs provmätningar på det eftersökta provtrycket och gränsvärdet fås ur resultatet. Problemet med detta är att kalibreringsläckan är ett mer eller mindre ideellt hål och skiljer sig, på liknande sätt som de ovan nämnda teorierna, från verkliga porer. Det går således inte att veta huruvida detta uppmätta gränsvärde är högre eller lägre än det som verkligen skulle motsvara det angivna tätkravet och detta resulterar i att en artikel som faktiskt skulle läcka kan förbises. Genom att genomföra en teoretisk, konservativ omvandling som nämnts ovan kan dock specificerad täthet garanteras.

Figur 3-3 Förhållandet mellan provtryck och flöde för en gas med tätkravet som utgångspunkt.

Vid jämförelse mellan provning vid ett specifikt övertryck och motsvarande undertryck kan det utläsas att övertrycksprovet ger ett högre läckageflöde. Detta fastän tryckskillnaden relativt det omgivande atmosfärstrycket i de båda proverna är densamma. Detta fenomen kan förklaras med att molekyltätheten inuti provobjektet (se Figur 3-4). I en gas rör sig molekylerna fritt och slumpartat inuti gasvolymen. Vid övertrycksprovning är molekyltätheten högre och därför ökar sannolikheten för att en molekyl slumpartat träffar poren och läcker ut. Detta förklarar varför läckageflödet är högre fastän den drivande tryckskillnaden är den samma.



- 33 -

Figur 3-4 Molekyltäthet vid över- och undertryck.

Som nämnts tidigare används normalt antingen flödesmätning eller tryckdifferensmätning för tätkontroll och det kan därför vara av intresse att teoretiskt kunna omvandla ett flöde till ett differenstryck och tvärtom. Vid studie av en läckande provvolym som är trycksatt med ett specifikt övertryck p1 (se Figur 3-5) går det att utläsa att över ett specifikt tidsintervall ∆t kommer läckageflödet Q ge upphov till en volymförändring ∆V1, d.v.s. den totala läckagevolymen över tiden ∆t. Läckaget ger också upphov till en trycksänkning ∆p1 inom objektet. Förhållandet mellan trycksänkningen ∆p1 och utgångstrycket p1 är helt proportionellt mot förhållandet mellan den totala läckagevolymen ∆V1 och provvolymen V. Vidare måste den andel ∆p1 utgör av provtrycket p1 vara lika stor som den andel ∆V1 utgör av provvolymen V, detta kan liknas vid en ballong där om det omgivande trycket fördubblas så halveras volymen. Detta fenomen kan beskrivas enligt sambandet 3.7 och då den totala läckagevolymen kan beskrivas som läckageflödet över ett specifikt tidsintervall (3.8) kan sambandet skrivas om enligt 3.9.

Figur 3-5 Läckage ur trycksatt provvolym.

1111

1

1 pVVpVV

pp

⋅∆=⋅∆⇒∆

=∆

(3.7)

tQV ∆⋅=∆ (3.8)

(3.8) i (3.7) ger



- 34 -

1

11 pt

VpQ

⋅∆⋅∆

= (3.9)

Q = volymflöde [mm3/s]

Q1 = volymflöde vid trycket p1 [mm3/s]

∆p1 = differenstryck inuti provvolym [Pa]

V = total provvolym luft [mm3]

∆V1 = total läckagevolym [mm3]

∆t = tidsintervall/mättid [s]

P1 = provtryck [Pa]

Detta samband beräknar det flöde som uppstår ut från volymen i fråga och definieras som ett volymflöde vid trycket p1, normalt beskrivs dock läckageflödet relaterat till atmosfärstrycket och därför är det av intresse att vidare härleda detta samband så att den blir tillämpningsbar i läckagesammanhang. Studie av den totala volymen som läckt ut över tidsintervallet ∆t genom en por (se Figur 3-6) visar att volymen som går in i poren (∆V1) från den trycksatta provvolymen (p1) genomgår en tryckförändring och på utsidan, när volymen lämnar poren (∆V0) har den genomgått en volymökning pga det minskade trycket. Enligt den allmänna gaslagen (3.10) där molmassan n och temperaturen T är konstant kan detta beskrivas med sambandet 3.11. Detta ger uttrycket 3.12 som beskriver volymen ∆V0 uttryckt i volymflöden, detta uttryck ger tillsammans med det tidigare sambandet (3.9) det slutliga sambandet 3.13 som beskriver läckagets volymflöde i förhållande till atmosfärstrycket. Detta kan jämföras med den teori som togs upp angående normaliserat flöde i kapitel 3.1.

Figur 3-6 Volymflödet definierat för de olika trycken vid läckage.

TRnVp ⋅⋅=⋅ (3.10)

0011 VpVp ∆⋅=∆⋅ (3.11)



- 35 -

0

110

0

110 p

QpQ

pVp

V⋅

=⇒∆⋅

=∆ (3.12)

tppV

ptppVp

Q∆⋅∆⋅

=⋅∆⋅∆⋅⋅

=0

1

10

110 (3.13)

Q0 = volymflöde, vid atmosfärstrycket p0 [mm3/s]

Q1 = volymflöde, vid trycket p1 [mm3/s]

∆p1 = differenstryck inuti provvolym [Pa]



P1 = provtryck [Pa]

p0 = atmosfärstryck [Pa]

n = molmassa [mol]

T = temperatur [°C]

R = allmänna gaskonstanten [8,314 J/mol/K]

3.4 Omvandling mellan vätska och gas Förutom att läckagets storlek är beroende av trycket är det också beroende av vilket medium som används, t.ex. så är luftläckaget betydligt större än vattenläckaget vid i övrigt identiska förhållanden beroende på skillnader i fysikaliska egenskaper så som viskositet och ytspänning. Högre viskositet ger ett trögare medium och högre ytspänning orsakar större kapillärkrafter vilket båda bidrar till mediets förmåga att läcka minskar. I en jämförelse mellan gas- och vätskeläckage uppstår alltid ett läge då vätskan kan sägas sluta läcka beroende på den ovannämnda kapillärkraften blir för stor för att vätskan skall tryckas ut ur porositeten. Omvandling av tätkravet i drift till ett annat medium och/eller tryck är oftast ett måste pga att tätkontrollinstrumenten normalt använder luft eller någon form av spårgas för att detektera ett läckage. Andra orsaker kan vara av säkerhets- och miljömässiga skäl samt så resulterar ofta en översättning till luftläckage i att man förkortar provtiden.

Som tidigare diskuterats så har gasflödet, pga att gaser är kompressibla, ett kvadratiskt förhållande till provtrycket och vätskeflödet således ett linjärt förhållande vilket skapar en osäkerhetsfaktor vid omvandlingen mellan vätska och gas. Formel 3.6 i kapitel 3.3 gäller för laminära gasflöden genom cirkulära rör och därför gäller formeln huvudsakligen för omräkning mellan gaser och olika tryck även om man i formeln kan räkna om flödet från gas till vätska, likt tidigare diskuterat, om viskositeterna är kända. Enligt Jonsson [1982] finns det dock även andra mer eller mindre vedertagna samband för liknande beräkningar, t.ex. formel 3.14. Dessa formler gäller således därför enbart som riktvärden för vilket område man befinner sig i beroende på att det i princip enbart är skillnaden i viskositet mellan gasen och vätskan som beaktas.

21

22

2pp

pQQvätska

gasgasvätska −

∆=

ηη

(3.14)

η= viskositet [Ns/m2]



- 36 -

ηair= 16,7 Ns/m2

ηwater= 1040 Ns/m2

∆p = tryckdifferens vätska [kPa] (p2-p1)

p1 = absoluttryck i omgivande volym, lägre tryck [kPa]

p2 = absoluttryck i trycksatt volym, högre tryck [kPa]

Därför har industrin sedan långt tillbaka arbetet fram erfarenhetsmässiga luftläckagenivåer för vad som kan sägas vara vätsketätt. 25 mm3/s vid 1,5 bar för kylvätskekomponenter är en sådan erfarenhetsmässig kravnivå där Scania genom otaliga experiment och genom lång erfarenhet från produktion kommit fram till en ”kylvätsketät” nivå som samtidigt är ”mätbar”.

3.5 Trycksättning av provvolym Då en instängd gasvolym trycksätts med ett övertryck kommer gasen att komprimeras och värme bildas, s.k. kompressionsvärme. Om trycksättning istället sker med ett undertryck resulterar det i en temperaturminskning. Förutom den termiska energin som skapas i den innestängda gasen så kommer även gasen som pumpas in av kompressorn och utbredningen av gasen att påverka temperaturen. Således har även objektets geometri betydelse för temperaturen. Den temperaturförändring som sker påverkar i sin tur trycket, ökad temperaturen ger ökat tryck. Efter att volymen är trycksatt kommer temperaturen sedan att stabiliseras, d.v.s. återgå till en termisk jämvikt med själva artikeln och den omslutande luften. Detta betyder således att trycket kommer att förändras från det att trycksättning sker till dess att hela provvolymen har uppnått termisk jämvikt. Om en tryckmätning då genomförs kommer denna tryckförändring registreras som ett läckage. Det är alltså av yttersta vikt att provobjektet har hunnit stabilisera sig helt innan mätningen påbörjas. Detta tidsförlopp kallas inom tätkontroll vanligen för stabiliseringstid. Denna tid är som sagt beroende av den temperatur som uppnås i samband med trycksättning och provobjektets värmeledningsförmåga, men att teoretiskt bestämma stabiliseringstiden är problematiskt då det är väldigt svårt att veta storleken på temperaturavvikelsen som sker. Stabiliseringstiden är normalt inte längre än ca 1 minut men varierar beroende på provobjektet. Notera också att samma fenomen som diskuterats ovan även uppstår vid evakuering av provvolym, d.v.s. då trycket tillåts återgå till atmosfärstryck. Detta betyder att vid upprepad provning av ett och samma provobjekt måste temperaturen tillåtas stabiliseras mellan varje provning.

Eventuella packningar och andra avtätningar i provobjektet kommer också att påverkas vid trycksättning. I vissa fall kommer packningar att röra på sig och fortsätta att ”krypa” även efter trycksättningen. Det är därför viktigt att stabiliseringstiden är så pass lång att packningar tillåts sätta sig på plats innan mätning påbörjas. För att undvika krypning hos packningar och förflyttning av andra rörliga delar kan provvolymen chockfyllas, provobjektet trycksätts då snabbt med ett tryck som är högre än det eftersökta trycket för att sedan återgå. Detta gör att packningar och dylikt ”trycks på plats” innan mätningen påbörjas. Vidare bör alla former av elastiska komponenter så som slangkopplingar och mjuka gummipluggar undvikas vid tätkontroll då de fungerar som tryckackumulatorer.

Under mätningens stabiliseringstid kommer ett eventuellt läckage resultera i ett tryckfall i mätsystemet före mätning påbörjas. Detta resulterar i att utgångstrycket för mätningen varierar med stabiliseringstiden. Ju längre stabiliseringstid, desto lägre blir utgångstrycket och då blir det uppmätta tryckfallet också något lägre. Detta fenomen är



- 37 -

dock helt linjärt och man kan tydligt se då temperaturavvikelsen ”stör” mätresultatet genom att mätvärdena kommer att lämna den räta linje som uppstår pga utgångstrycket (se Figur 5 1). Det är också rimligt att anta att ju mindre provvolymen blir ju större blir skillnaden i utgångstryck från mätning till mätning. Läckan som är konstant i förhållande till volymen ger upphov till ett större tryckfall vid mindre volymer. Detta leder till att lutningen på den stabila delen borde vara större vid mindre volymer.

Figur 3-7 Det uppmätta tryckfallet avviker pga temperaturavvikelser relaterat till det stabiliserade tryckfallet som representerar tryckfallet utan temperaturpåverkan.



- 38 -

4 Resultat och diskussion I denna del av rapporten redovisas vad författarna arbetat fram under projektet, mestadels genom egna försök som jämförts med inhämtad kunskap under tidigare delar av projektet. Resultaten varvas med diskussion och slutsats för respektive resultat. Resultaten utgörs av nya läckagenivåer och en ny ritningsstandard för angivande av täthet hos gjutgods (bilaga 1) samt en utarbetad bestämmelse för tätkontroll av gjutgods (bilaga 2, TB0000) som bl.a. inkluderar en metod för vakuumprovning med tryckmätande instrument. Resultaten tydliggör läckagespecifikationen på ritning genom att referera till hur tätkontrollen ska utföras av underleverantören samt möjliggör provning av stora komponenter, där bl.a. behovet av klämkrafter tidigare varit stora, med bibehållen mätkänslighet även vid skärpta tätkrav.

4.1 Förtydligande av ritningskraven för täthet hos gjutgods Ritningskrav för täthet kan i många fall liknas med en floskel [Nilsson, 2007] och det är få, om än någon, som vet vad kravet egentligen betyder. Tillexempel har ritningskravet för täthet hos en gjuten detalj en helt annan innebörd än ritningskravet för ett pressat och svetsat rör av stål med en gummislang fastsatt med en slangklämma i ena änden. För den gjutna detaljen kan tätkravet liknas med ett mått på vilken kvalitet som måste uppnås i gjutprocessen men för den sammansatta artikeln är tätkravet ett krav på maximalt läckage mellan slang och rör, d.v.s. hur väl slangklämman fungerar eller är monterad, samt ett mått på svetsfogens kvalitet. Likt Figur 2-1 visar så hänvisar läckagespecifikationen i dagsläget enbart tillbaka till den standard som gäller för angivandet av tätkravet ("Leak specification STD1885") och inte till hur tätkravet skall kontrolleras (se Figur 4-1). Detta anser författarna vara meningslös information för tillverkaren av artikeln. För att tydliggöra ritningsspecifikationen har författarna därför valt att utforma ett nytt sätt att specificera tätkravet på ritning där man skiljer på olika typer av artiklar beroende på t.ex. tillverkningsmetod.

Figur 4-1 Dagens ritningsstandard.

Det nya sättet att ange tätkravet på ritning bibehåller som Figur 4-3 visar mycket av den gamla ritningsspecifikationens struktur men den hänvisar till en teknisk bestämmelse för gjutgods (bilaga 2, TB0000) som författarna utarbetat i projektet istället för att hänvisa till den läckagestandard som tillämpas, Figur 4-2.



- 39 -

Figur 4-2 Nytt sätt att specificera ritningskravet för gjutgods.

Figur 4-3 Ny läckagespecifikation med referens till teknisk bestämmelse.

Den nya läckagespecifikationen finns tillsammans med nya skärpta tätkrav för gjutet aluminium samlat i dokumentet ”Underlag för angivande av tätkrav för gjutgods” (bilaga 1). I dokumentet finns ett antal tankar och punkter som konstruktören bör utgå ifrån vid angivande av tätkravet för gjutgods, se även Figur 4-2. Underlaget innehåller även skärpta, generella tätkrav beroende på material och driftmedium, detta med anledning av att studier under arbetet har visat på att artikelns storlek inte påverkar antalet läckageställen, utan att det är dess komplexitet som bestämmer hur stor sannolikheten är att en por skall uppstå.

Att referera läckagespecifikationen till en bestämmelse för hur och med vilka metoder tätkontrollen bör utföras ger hela läckagerutan en större innebörd enligt författarna då man på detta sätt från Scanias sida kan styra hur tätkontrollprocessen utförs vilket i sin tur skall öka kvaliteten hos gjutgods. Genom att Scania kan specificera tillvägagångssättet möjliggör man även att själva utföra mätningar och återskapa kontrollen som tidigare gjorts av gjuteriet vid behov, t.ex. vid misstanke om processfel eller efter omställning av gjutmaskin. Den tekniska bestämmelsen har även syftet att förbättra kvaliteten i underleverantörernas tätkontrollprocess och göra det möjligt för leverantörerna att detektera läckage i de nivåer som de nya läckagenivåerna kräver. Viktigt att påpeka är dock att bestämmelsen styr användandet av icke-förstörande provning men bestämmelsen detaljstyr inte mot valet mellan spårgas eller tryckmätande provning. Meningen är att tätkontroll av gjutgods inte får utföras med några andra metoder än de som specificerats i denna bestämmelse.

Ett riskmoment föreligger dock i att de som jobbar med gjutgods genom detta arbete får en utförlig specifikation för angivelse av tätkrav samt hur kraven skall kontrolleras och att de som jobbar med andra produkter hamnar i en ”andradivision” genom att en kvalitetsskillnad kan skapas mellan olika typer av artiklar. Därför bör detta arbete tas tag



- 40 -

i relativt fort och man bör då utgå från modellen framarbetad i detta projekt. I ett inledande skede bör dock detta nya sätt att ange ritningskravet enbart införas på gjutna artiklar i motor, ett vidare arbete bör göras liknade detta där målet bör vara att utforma en liknande kravspecifikation för övriga komponenter med tätkrav i motor. Målbilden för framtiden är att standard för angivande av tätkrav på ritning bör vara olika för olika typer av komponenter för att öka ritningskravets betydelse för produktens kvalitet.

4.2 Metod för tryckmätande provning med vakuum Den framtagna vakuumprovningsmetoden är lämpad för de flesta tryckmätande instrument likt t.ex. Nolek S9, provobjektet tätas mot en fixtur och tryckskillnaden mäts mellan atmosfärstrycket och det inneslutna undertrycket. Metoden är tänkt att användas för tätkontroll hos tillverkare där cykeltider måste hållas nere och artikels storlek gör att kraven på fixtur och inspänning blir för höga. Vakuumprovning används dock normalt framförallt för att minska temperaturberoendet. Vid provning av stora objekt skapar övertryck enorma krafter som vill ”lyfta” objektet och detta ställer stora krav på inspänning samt fixturens förmåga att motstå förskjutning. Om tätkontroll genomförs på t.ex. en oljesump krävs det att skruvförbandet kan ta upp en kraft motsvarande ca 18000 N, eller i massenheter 0,5 kg/cm3, vid 0,5 bar övertryck. Genom att istället genomföra tätkontroll med vakuum blir objektet självtätande mot fixturen, d.v.s. objektet sugs ner mot fixturen pga av undertrycket. Detta eliminerar helt problemet med kraftiga och dyra fixturer samt så förenklas inspänningen. Detta visades även genom tester där provobjektet var tätt helt utan klämkraft, objektet styrdes dock av pinnskruvar för att förhindra förflyttning. Viktigt att tänka på är dock det faktum att objektets tätning mot fixturen kan bli effektivare än i verkliga förhållanden och därför kan läckage som uppstår kring tätningsytorna helt förbises. Mekaniska stopp som hindrar objektet från att komprimera tätningen mer än normalt kan här vara ett alternativ. Det är också av vikt att tänka på hur förskjutningen på objektet påverkas. Då kraften byter riktning vid vakuumprovning kan objektet ”flexa” åt fel håll, d.v.s. i motsatt riktning mot vad den är konstruerad för. Speciellt svetsfogar kan vara känsliga för denna typ av förskjutning. De omvända krafterna kan också påverka packningarna i sådan grad att de ”sugs” in i provobjektet. Tätningsytor, packningar mm måste således också ses över.

Förutom fixturrelaterade faktorer är det också av stor vikt att välja utrustning som är lämplig för att hantera vakuumtryck. En pump som är tillräcklig för att uppnå det önskade vakuumtrycket även vid relativt stora volymer samt anslutningar och kopplingar som är så grova och korta som möjligt. Detta då långa slangar med liten diameter kan resultera i ett väldigt stort motstånd vid vakuumpumpning.

En stor fördel med vakuumprovning är att temperaturkänsligheten nästintill elimineras. Med ett vakuumtryck runt 1 mbar absoluttryck (100 Pa) behövs en temperaturförändring på ca 30°C för att åstadkomma en tryckökning på 10 Pa (10 %). Detta jämfört med 0,05°C vid övertrycksmätning. Vakuumprovning vid extrema vakuumtryck minskar således temperaturkänsligheten med ca 600 gånger. Ett vakuumtryck på 1 mbar absoluttryck är dock ej praktiskt användbart. Vid 30 mbar absoluttryck (3000 Pa) eller 0,7 bar undertryck, som är ett mer praktiskt uppnåeligt provtryck, ger en temperaturförändring på ca 1°C motsvarande tryckökning på ca 10 Pa. Detta motsvarar ändå en minskning av temperaturkänsligheten med ca 30 gånger [Hedlund m.fl., 2007].

En annan faktor som är direkt förknippat med temperatur är fukt och dess påverkan på vakuumprovning. Vattnets kokpunkt sjunker med ökat undertryck och vid ca 0,8 bars undertryck närmar sig kokpunkten rumstemperatur (se Figur 4-4). Om vakuumtrycket är så högt att kokpunkten sänks under den maximala temperaturen som uppnås under mätförloppet så kommer förångning av eventuell fukt ske inuti provobjektet. När fukten



- 41 -

förångas uppstår en volymökning vilket i sin tur påverkar trycket. Om förångning sker under mätförloppet får man således en tryckförändring inuti objektet som registreras av mätinstrumentet som ett läckage. Eftersom man i produktion hos en eventuell leverantör inte kan garantera att artiklarna är torra och då torkning skulle förlänga tillverkningsprocessen kan det vara fördelaktigt att genomföra vakuumprovning vid ett undertryck som är så pass lågt att fukten ej förångas överhuvudtaget. Att hitta det maximala undertrycket där kokpunkten fortfarande är såpass hög att ingen förångning sker är dock ganska svårt. Den temperaturförändring som sker i samband med trycksättning är beroende av den pump man använder samt geometrin hos provobjektet. Det är därför väldigt svårt att bestämma en generell maximal temperatur som uppnås under mätning och därför kan man inte heller fastställa ett optimalt provtryck teoretiskt, det måste istället bestämmas empiriskt med hjälp av provning.

Figur 4-4 Kokpunkt i förhållande till absoluttryck.

Det kan dock i vissa fall vara nödvändigt att genomföra vakuumprovning med ett väldigt lågt tryck, d.v.s. ett undertryck nära 1 bar. Är temperaturproblemen i samband med tätkontrollen väldigt stora så kan detta vara ett alternativ. Temperaturkänsligheten är vid dessa tryck, som nämnts ovan, nästintill eliminerade. Provning vid dessa tryck kommer dock med ganska stor sannolikhet att uppvisa problem med fukt och det kan därför vara nödvändigt att genomföra tätkontrollen två gånger, den första för att ”koka” bort all fukt och den andra för att genomföra själva tätkontrollen. Detta kräver naturligtvis mycket längre cykeltider och är därför ofta svårt att genomföra inom produktion. Provning vid väldigt höga undertryck kräver också längre pumptider vilket också förlänger cykeltiden.

Fördelar:

• Eliminerar behovet av klämkrafter

• Enkla och billiga fixturer

• Enkel metod

• Betydligt mindre temperaturberoende

• Korta stabiliseringstider (kortare provcykler)

Nackdelar:

• Kan endast ge svar på om det läcker, inte var det läcker

• Motsvarar ofta inte normala driftförhållanden med avseende på tryck, krafter och förskjutning

• Maximalt endast 1 bar tryckresurs vilket begränsar mätkänsligheten

• Känslig för fukt (förångning)



- 42 -

• Provning kräver helt torra artiklar (igensättning, kapillärkraft)

• Kostnad för extra utrustning och för tillverkning av eventuell fyllnadskropp

Tätkontroll med vakuum kan vara ett bra alternativ till övertrycksmätning i vissa fall, men för att kunna genomföra dessa mätningar måste man kunna omvandla tätkravet, som normalt anges som ett flöde vid ett specifikt övertryck (riktvärde 25 mm3/s vid 1,5 bar), till ett gränsvärde som gäller för det specifika vakuumtrycket. Enligt läckageteorin i kapitel 3.3 är flödet genom en por oftast kvadratiskt beroende av provtrycket. Mätningar på referensläckor som gjordes under projektet visade även på ett sådant förhållande.

I tidiga prover som gjordes gick det att avläsa att mätresultatet avviker vid undertryck kring 0,6 bar, detta tros bero på de fuktrelaterade problemen som nämnts ovan. Vidare prover (se Figur 4-5) gjordes för att verifiera detta och det visade sig stämma. Vid jämförelse av en tät provvolym och en motsvarande volym med ett läckage på 25 mm3/s vid 1,5 bar, ser man tydligt att vid högre undertryck avviker de uppmätta värdena samtidigt som de även närmar sig varandra, vilket gör att det blir svårare att skilja det läckande provet från det täta. Teoretiskt så ökar inte heller flödet nämnvärt när man uppnår högre undertryck, dock minskar temperaturberoendet avsevärt. Vidare prover (se Figur 4-6) visade även att det uppmätta flödet vid olika vakuumtryck stämde väl överens med tidigare teorier om hur ett laminärt flöde (läckaget) beter sig kvadratiskt med trycket. I detta fall visade det sig dock att bakgrundsläckaget var näst intill helt linjärt. Detta prov visar hur det i instrumentet inbyggda kalibreringsläckaget beter sig kvadratiskt men varje specifikt läckage kan ses som individuell och kommer att bete sig olika. Resultatet av de genomförda proverna visar dock entydigt att för att kunna genomföra vakuumprovning där man tydligt kan skilja på en tät och läckande artikel måste förångning undvikas. För att hitta ett optimalt provtryck bör således 0,8 bars undertryck ej passeras och flertalet mätningar måste genomföras för att genom praktisk provning visa att provningen tydligt kan skilja på tät och läckande artikel samt uppvisa mycket god repeterbarhet. Författarnas åsikt är att ca 0,7 bars undertryck bör vara lämpligt i de flesta fall men vid svåra temperaturrelaterade problem kan det dock vara nödvändigt att använda ett provtryck som ligger så nära fullt vakuum som möjligt men då genomföra flertalet mätningar för att först koka bort fukten, precis som tidigare diskuterats i detta kapitel. Vissa tillverkningsprocesser kan innebära att artikeln har varit i kontakt med någon form av vätska innan tätkontroll sker och då kan detta förfarande vara ett bra alternativ.



- 43 -

Figur 4-5 Jämförelse av tryckskillnad för olika läckagenivåer.

Differenstryck, vakuumprovning

0

5

10

15

20

25

30

-1 -0,9 -0,8 -0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0

Provtryck (bar)

Dife

rren

stry

ck (P

a)

"Tät" artikel

Läckande artikelLäckage (differens)

Läckageflöde (mm3/s)

Figur 4-6 Läckageflöde vid olika undertryck.

4.2.1 Mätkänslighet vid vakuumprovning Vid vakuumprovning begränsar man det maximala provtrycket till 1,0 bar undertryck, eller 0 bar absoluttryck, denna begränsade tryckresurs gör att metoden inte fungerar särskilt väl för stora provvolymer. Den tryckökning som uppmäts i provobjektet pga av ett eventuellt läckage minskar med minskat provtryck (relativt atmosfärstrycket) och med ökad volym. Det begränsade tryckområdet resulterar således i att behovet av fyllnadskropp ökar vid vakuumprovning. Det kvadratiska förhållande (se Figur 3-3) som vanligen gäller mellan provtryck och läckage för gaser resulterar också i att läckageflödet vid undertryck är betydligt lägre än vid motsvarande övertryck. Genom att använda en fyllnadskropp (se Figur 4-7) begränsar man volymen i provobjektet och ökar därmed känsligheten i provningen. Viktigt att notera är dock att det inte bara är mätkänsligheten för läckage som ökar utan även känsligheten för eventuella störningskällor. När man minskar volymen kan känsligheten bli så hög att minsta förskjutning på provobjekt under



- 44 -

mätprocessen saboterar resultatet. En begränsande faktor vid användandet av fyllnadskroppar kan vara att luftspalten som skapas mellan provobjekt och fyllnadskropp blir såpass tunn att strömningsmotståndet blir betydande för mätresultatet. Det begränsade tryckintervallet resulterar också i att tätkontroll av artiklar som varit i drift eller i kontakt med någon typ av vätska blir näst intill omöjliga att genomföra. Kapillärkrafterna som håller kvar vätskan i porerna blir för stor för att övervinnas med maximalt 1 bar och vakuumprovning bör därför genomföras på helt torra och rena artiklar.

Figur 4-7 Fixtur med en gjuten fyllnadskropp av plast.

Enligt Hedlund [2007] bör man vid användande av tryckmätande instrument hålla sig inom mätkänslighetsintervallet 1-500 Pa/s. Detta intervall gäller för den utrustning som användes i testerna men detta kan givetvis variera beroende på instrument och tillverkare. I en relativt stor volym blir tryckskillnaden som uppmäts väldigt liten och instrumentet registrerar detta som ett ”nolläckage”. Är volymen väldigt liten blir tryckskillnaden som uppstår väldigt stor och instrumentets tryckgivare slår då ifrån för att skydda dess membran. Instrumentets känslighetsintervall baseras på just dessa två gränsvärden, vid det övre gränsvärdet (500 Pa/s) förändras trycket så snabbt att instrumentet ej hinner registrera korrekta mätvärden. Vid det nedre gränsvärdet (1 Pa/s) är risken alltför stor för att yttre påverkan försämrar mätningarnas tillförlitlighet (se Figur 4-8). Om minsta lilla störsignal infinner sig vid mätning blir det omöjligt att avgöra om artikeln läcker eller ej.



- 45 -

Figur 4-8 Teoretisk mätkänslighet beroende av luftvolym.

Detta intervall används som ett riktvärde när fyllnadskropp skall användas. Provvolymen måste minskas så att det uppmätta differenstrycket uppnår minst 1 Pa/s. Vakuumprovningar genomfördes vid 0,5 bars undertryck för att fastställa den största volym som kan mätas inom instrumentets mätområde vid just detta tryck. I de inledande proverna, där en fyllnadskropp göts i ett plastmaterial (se Figur 4-7), jämfördes resultaten från vakuumprovning med och utan fyllnadskropp (se Figur 4-9). Man kan tydligt se hur den minskade luftvolymen påverkar känsligheten i mätningarna. Under dessa tester var mättiden 20 sekunder vilket innebär att för att få en mätkänslighet på minst 1 Pa/s bör tryckökningen vara minst 20 Pa. Detta gränsvärde är markerat i grafen och är ca 40 mm3/s vid volymen 0,4 liter och 180 mm3/s vid 1,7 liter, men för att kunna använda vakuumprovning i praktiken måste känsligheten uppnås även för 25 mm3/s. Känsligheten vid 0,4 liter och 25 mm3/s ligger i detta fall på ca 0,6 Pa/s och man kan därför anta att volymen måste halveras för att hamna innanför gränserna. För att verifiera denna teori gjordes vidare tester där volymen varierades i flera steg (se Figur 4-10). Figuren visar att en volym på ca 0,2 liter bör ge en relativt god säkerhetsmarginal. Vid användande av andra tryckmätande instrument kan intervallet, som nämnts tidigare, variera och det uppmätta volymberoendet kan då utnyttjas för att påvisa vilken volym som krävs.

Om man utgår från den angivna mätkänsligheten på 1-500 Pa/s och antar att tryckökningen är helt linjär med volymen skulle det innebära att för en artikel med 1 m2 stor yta måste fyllnadskroppen tillverkas så att man får en luft spalt på 0,2 mm för att uppnå den eftersökta luftvolymen på 0,2 liter. Att tillverka en fyllnadskropp med en sådan extrem precision är praktiskt taget omöjligt och även om det skulle vara möjligt så skulle strömningen i spalten begränsas så kraftigt av friktionen mot materialet att mätresultatet blir lidande. Frågan kvarstår dock om det nedre gränsvärdet på 1 Pa/s verkligen motsvarar vad som verkligen kan mätas, prover som har gjorts tyder på att man med relativt stor precision kan skilja på läckage och tät artikel även vid lägre mätkänsligheter.



- 46 -

Figur 4-9 Jämförelsen visar tydligt på den ökade känslighet man får genom att använda en fyllnadskropp.

Figur 4-10 Grafen visar den ungefärliga volym som krävs för att uppnå en viss mätkänslighet. Jämför detta provintervall med Figur 4-8.

En teoretisk formel (se formel 4.2) för att beräkna den volym fri luft som krävs för att uppnå en tillräcklig mätkänslighet togs även fram. Sambandet är härlett från formel 4.1 som i sin tur är en omformulering av sambandet 3.9 i kapitel 3.3 som beräknar volymflödet Q. Formel 4.1 är omgjord för att användas med i sammanhanget relevanta storheter. Formeln bygger på helt ideala förhållanden och beräknar den volym, i liter (dm3), som krävs för att uppnå en mätkänslighet på 1 Pa/s där flödet Q anges i mm3/s vid det aktuella provtrycket. Den specifika volymen som krävs är svår att bestämma då känsligheten beror på poren och det strömningsförhållande som uppstår men formeln kan dock med fördel användas som ett riktvärde för hur stor fyllnadskroppen bör vara för att uppnå erforderlig mätkänslighet.



- 47 -

ptpQ

V∆

∆⋅⋅= 0 (4.1)

Q = volymflöde [mm3/s]

∆p = differenstryck [Pa]



P0 = atmosfärstryck [Pa]

10gränsvärde

luft

QV = (4.2)

Vluft = eftersökt provvolym [dm3]

Qgränsvärde = gällande tätkrav [mm3/s]

Vid en jämförelse av den praktiska provningen ovan (Figur 4-10) så ger den teoretiska formeln volymen 0,357 liter jämfört med 0,25 liter för det praktiska provet. Det teoretiska gränsvärdet för volymen visar sig här vara något högt och således bör fyllnadskroppen vara något större för att begränsa volymen ytterligare. I regel är det också så att ju större provobjekt, ju större tillverkningsprecision krävs för fyllnadskroppen. Den eftersökta fria volymen är lika stor oavsett artikel men då artikeln är stor (stor area) krävs ett mindre spel mellan fyllnadskroppen och godset och därför ökar kravet på precisionen. I dagsläget har Scania stora problem att genomföra en relevant tätkontroll på en oljesump, detta då den stora volymen gör att provtrycket (övertryck) av säkerhetsskäl måste vara väldigt lågt. Oljesumpen provas idag mot tätkravet 120 mm3/s vid 0,2 bar men om istället tätkontrollen skulle genomföras med 0,7 bars undertryck skulle detta motsvara ca 250 mm3/s och den teoretiska formeln ger då frivolymen 25 liter. Denna volym skulle motsvara ett spel på ca 10 mm för vakuumprovning vid just 0,7 bars undertryck och författarna anser att det inte skulle vara ett problem att tillverka en fyllnadskropp för detta ändamål. Det är dock av vikt att notera att som diskuterats tidigare så är denna volym endast ett riktvärde.

4.2.2 Rekommendationer och slutsatser för vakuumprovning Vakuumprovning skall, som nämnts tidigare, användas som ett komplement till normal övertrycksmätning. Vid övertrycksmätning har man en större tryckresurs att tillgå och därför är det också lättare att uppnå tillräcklig mätkänslighet, vidare så återspeglar också övertrycksmätningen verkliga driftförhållanden på ett bättre sätt. Vakuumprovning skall således endast användas då övertrycksmätningen är svår att genomföra, detta sker vanligen vid stora artiklar då kraven på fixturen blir allt för stora men generellt används vakuumprovning då problem uppstår med temperatur variationer. Man måste dock vara medveten om de nackdelar som finns med vakuumprovning. Vid vakuumpumpning kan förångning av fukt vara ett stort problem och den begränsade tryckresursen tillsammans med det faktum att läckageflödet blir avsevärt mycket mindre vid vakuumtryck gör att problem med mätkänslighet lätt kan uppstå. Behovet av fyllnadskropp är därför som



- 48 -

nämnts tidigare stort vid vakuumprovning.

Vid framtagning av en fyllnadskropp är det viktigt att den fria provvolymen är tillräckligt liten för att erforderlig mätkänslighet uppnås men inte så liten att minsta lilla störsignal förstör mätningen. Av denna orsak togs det teoretiska sambandet 4.2 fram för att kunna få ett riktvärde på fyllnadskroppens storlek. Vid en jämförelse av den praktiska provningen ovan (Figur 4-10) så ger den teoretiska formeln provvolymen 0,357 liter jämfört med 0,25 liter för det praktiska provet. Det teoretiska gränsvärdet för volymen visar sig här vara något högt och således bör fyllnadskroppen vara något större för att begränsa volymen ytterligare. I regel är det också så att ju större provobjekt, ju större tillverkningsprecision krävs för fyllnadskroppen. Den eftersökta fria volymen är lika stor oavsett artikel men då artikeln är stor (stor area) krävs ett mindre spel mellan fyllnadskroppen och godset och därför ökar kravet på precisionen. I dagsläget har Scania stora problem att genomföra en relevant tätkontroll på en oljesump, detta då den stora volymen gör att provtrycket (övertryck) av säkerhetsskäl måste vara väldigt lågt. Oljesumpen provas idag mot tätkravet 120 mm3/s vid 0,2 bar men om istället tätkontrollen skulle genomföras med 0,7 bars undertryck skulle detta motsvara ca 250 mm3/s och den teoretiska formeln ger då frivolymen 25 liter. Denna volym skulle motsvara ett spel på ca 10 mm för vakuumprovning vid just 0,7 bars undertryck och författarna anser att det inte skulle vara ett problem att tillverka en fyllnadskropp för detta ändamål. Det är dock av vikt att notera att som diskuterats tidigare så är denna volym endast ett riktvärde. Författarna genomförde även praktiska prover ute hos en leverantör av oljesump där en fyllnadskropp användes (se bilaga 3). Dessa prover visade att det nuvarande tätkravet utan några som helst problem kunde uppmätas. Tätkravet kan sänkas avsevärt utan att mätkänsligheten blir ett problem och detta visar tydligt att vid användande av en bra fyllnadskropp kan man komma väldigt långt. Vidare så är det också av stor vikt att fyllnadskroppen tillverkas av ett material som inte tillåter förskjutning vid trycksättningen av porvvolymen. Om fyllnadskroppen expanderar under mätförloppet kommer resultatet att bli väldigt missvisande.

Vakuumprovning kan också vara ett bra alternativ då artiklarna är fuktiga för att med väldigt höga vakuumtryck koka bort fukten, detta förlänger dock cykeltiderna som tidigare diskuterats. Man kan säga att all tätprovning helst skall ske på en torr och ren artikel och att den inte får ha varit i kontakt med någon vätska tidigare men i vissa tillverkningsprocesser kan detta vara mycket svårt att uppnå.



- 49 -

5 Slutdiskussion I detta kapitel behandlas den sista delen i projektmålet, d.v.s. att bedöma om motormonteringens tätkontrollmetoder är tillräckliga. Kapitlet innehåller även författarnas slutsatser om examensarbetet i sin helhet, bl.a. hur väl resultatet motsvarar de uppsatta målen för projektet samt vad som bör arbetas vidare med i framtiden.

5.1 Bedömning av motormonteringens tätkontroll Den visuella tätkontrollen med fluorescerande spårvätskor i Scanias motorprovceller är väl fungerande som en slutgiltig kvalitetskontroll av hel motor och bör säkerställa att läckage ytterst sällan uppstår ute hos kund. Då kontrollen genomförs på motor under körning inkluderar man faktorer som värme och vibrationer vilka kan påverka läckaget genom att t.ex. förändra funktionsvätskans egenskaper eller öppna upp porer. Detta gör att denna form av provning mest troligt är säkrare än tätkontroll med luft eller spårgas. Analyser gjorda under examensarbetet av färgämnet som används har även visat att det inte påverkar kylvattnets ytspänning, detta antas också gälla för bränsle och olja vilket tyder på att spårämnet inte påverkar läckaget (bilaga 4). Andelen glykol eller glykoltyp (EG/PG) påverkar inte heller kylvattnets ytspänning i någon större utsträckning, det cirkulerande kylvattnet som används under motorprovningen visade sig dock ha ca 25 % lägre ytspänning. Denna form av tätkontroll är dock en förstörande provning då eventuella läckage sätts igen av driftmediet och således kan resultatet ej repeteras i efterhand med tryck- eller spårgasmätning. Av den anledningen samt att man inte kan upptäcka läckage i gasväxlingssystemet under motorprovningen, vilket kan ge upphov till prestandaavvikelser, bör man därför förbättra den tryckluftsmätande provningen av hel motor på den s.k. inbanan. Genom att kunna påvisa betydande läckage i t.ex. turboladdaren eller i grenrör-avgassamlare med hjälp av tryck- eller spårgasmätande provning kan man på ett mycket mer effektfullt sätt karaktärisera anledningarna till uppkomsten av prestandaavvikelser. Den tätkontroll som utförs idag avser enbart olja, vatten och bränsle. Målet bör vara att kunna detektera alla defekta eller glömda packningar och liknande avvikelser på inbanan för att sedan fånga eventuella porositetsproblem i motorprovcell.

Författarna anser att Scanias arbetssätt att låta underleverantörerna ansvara för tätkontrollen av varje enskild komponent till underleverantören är en mycket bra grundtanke men att det finns stora brister i leverantörernas sätt att utföra denna kvalitetskontroll. Att utföra tätkontroll kontinuerligt utefter monteringslinan, t.ex. efter att ett antal komponenter monterats ihop ställer stora krav på en skyddad miljö samt att en tillräckligt lång stabiliseringstid används då tiden ofta är en begränsning på en monteringslina. Det kan också vara svårigheter att kunna precisera om det är t.ex. den gjutna artikeln som läcker eller omläckaget beror på en defekt tätning.

Studier under examensarbetet visade att befintlig tryckmätande tätkontrollutrustning ute hos underleverantörerna är fullt tillräckligt (genom användandet av vakuumteknik och fyllnadskroppar) för att användas ner till de nya kraven gällande vattenbärande aluminium samt på lågtrycksoljesidan. För artiklar i de delar av bränslesystemet med högre tryck och på högtrycksoljesidan bör dock någon form av spårgasmätning användas.

Det arbete som Scania bedrivit med sina underleverantörer för att minska kassationen i motorverkstan genom att införa skärpta tätkrav och förbättra tätkontrollprocessen bör enligt författarna leda till minskade kostnader för alla parter genom att man minskar arbetet med felande artiklar, både på Scania och hos underleverantören. Detta står i motsats till vad många tror, men genom att det ofta är kvaliteten i tätkontrollprocessen



- 50 -

som avgör kassationsnivån ska inte skärpta tätkrav leda till högre kassationsnivåer. Mycket kassationer beror just på att det i själva verket är mätutrustningen som läcker, inte den gjutna artikeln. Leverantören kan genom att använda sig av en tillförlitlig tätkontroll skapa en mycket god och snabb kvalitetskontroll (feedback) för sin gjutprocess och på så sätt minskas hantering av läckande artiklar. Man flyttar helt enkelt arbetet med felaktiga artiklar till ett så tidigt stadium som möjligt och ju tidigare problemen upptäcks ju billigare blir de att ta hand om. En fara kan dock finnas i att ett tätkrav skärps med anledning av att det ej anses vara tillräckligt för att urskilja läckande artiklar, det är dock viktigt att notera att det i vissa fall är tätkontrollen som är problemet snarare än tätkravet. För komplexa artiklar så som cylinderhuvud och motorblock måste tätkontrollens kvalitet ökas innan tätkraven på ritning kan ändras, om det överhuvudtaget ens är nödvändigt.

5.2 Slutsatser angående examensarbetet Det resultat som uppnåtts med detta examensarbete tycker vi väl återspeglar de uppsatta målen. Vi anser att det underlag som vi tagit fram för konstruktören (se bilaga 1) har tydliggjort kravsättningen för gjutna artiklar. Underlaget tar upp de faktorer som vi anser är relevanta vid angivandet av tätkrav för gjutgods och ökar därmed också konstruktörens kunskapsnivå om täthet. Även om inte underlaget exakt anger hur en specifik artikel skall kravsättas så leder den in konstruktören på ett sätt att tänka. Den tekniska bestämmelse som tagits fram (se bilaga 2) för tätkontroll riktar sig som bekant främst mot underleverantören men kan givetvis tillämpas även inom Scania. Bestämmelsen tar upp både krav och rekommendationer för icke-förstörande provning och den kommer enligt oss att resultera i en avsevärt mycket bättre kvalitetskontroll ute hos Scanias underleverantörer. Vi tror att antalet levererade ”läckande” artiklar kommer att minska genom att avvikelserna kommer att upptäckas i ett tidigare skede, detta utan en ökad kassationsnivå. Vi anser att man genom relativt enkla medel så som underhåll och rätt handhavande av mätutrustning kan minska kassationsnivån även vid skärpta tätkrav. Bestämmelse tar även upp hur man genom att använda vakuumprovning kan uppnå tillräcklig tillförlitlighet även vid provning av stora artiklar. Vakuumprovning implementerades med goda resultat hos några underleverantörer och vi kunde på detta sätt visa att man kan påvisa mycket lägre läckageflöden än tidigare varit möjligt för liknande artiklar. Vidare så tror vi att kopplingen som görs mellan ritningsspecifikationen och den tekniska bestämmelsen för tätkontroll kommer att resultera i att vårt arbete på ett enkelt sätt kan implementeras i Scanias produktutvecklingsprocess och accepteras av alla berörda parter. Vår förhoppning är även att bestämmelsen skall kunna användas som en norm för branschens gjuterier och på så sätt kommer inte bestämmelsen bara vara till nytta för Scania utan även för Volvo Lastvagnar, Volvo Personvagnar och SAAB. Eftersom det ofta är samma underleverantörer som levererar komponenter till dessa företag så kan de leverantörer som antar bestämmelsen skapa sig en konkurrensfördel jäntemot konkurrerande gjuterier. Det förtydliggjorda arbetssättet för konstruktören tillsammans med de nya tätkraven och den förbättrade tätkontrollen kommer att minska totalkostnaden, detta genom minskat arbete med felande artiklar vilket ger både minskade kassationer och kortare genomloppstider i samband med montering.

Sammanfattningsvis är vi väldigt nöjda med detta arbete och vi anser att våra resultat fått ett mycket gott bemötande, både från Scania, dess underleverantörer och övriga intressenter. Det har varit mycket roligt och inspirerande att få jobba med ett prioriterat ämne som engagerat många även om ämnet i grund och botten är väldigt okänt och ofta tyvärr lågprioriterat. Projektbeskrivningen kändes väldigt diffus till en början, men tillsammans med våra handledare lyckades vi styra in projektet i en riktning som vi anser ha varit väldigt intressant och givit ett gott resultat. Under projektet har vi fått se och



- 51 -

lära mycket nytt samt fått möjligheten att knyta många nya värdefulla kontakter inför framtiden.

5.2.1 Vidare arbete Det underlag som tagits fram för konstruktören gäller för gjutgods och vidare arbete bör därför genomföras för att ta fram liknande underlag gällande andra typer av komponenter. Detta gäller även den tekniska bestämmelsen för tätkontroll, även om den i stor utsträckning är tillämpbar på andra artiklar än gjutgods. Vidare bör spårgasmätning utredas bättre och införas på ett tydligare sätt i TB:n. I underlaget för angivande av tätkrav bör till en början nuvarande kravsättning användas för övriga gjutna material pga att läckagefrekvensen där inte alls är lika hög. Vidare arbete kan dock göras på dessa material men utgångspunkten bör vara att inte skärpa kraven om det inte finns anledning till detta. Provning av den kylvätska som används i motorprovningen pågår i skrivande stund och kommer att slutföras efter det att examensarbetet är slutfört. Den tätkontroll som sker inom motorverkstaden idag bör även kunna utvecklas likt tidigare diskuterats, t.ex. genom att förbättra den icke-förstörande provningen av hel motor eller delsystem. Genom att inte använda någon form av vätska ger tydligare resultat där man även i efterhand kan påvisa upphittade läckage på ett numeriskt mer tillförlitligare sätt på analysen. Även prestandaavvikelser i form av läckage i gasväxlingssystemet kan påvisas på ett avsevärt bättre sätt med hjälp av en förbättrad icke-förstörande provning innan motorprovningen. För övrigt anser författarna att plast är ett förträffligt material som i många fall kan ersätta gjutet aluminium.



- 52 -

6 Referenser Benckert, L. (2005). Handledning för examensarbeten för civilingenjörer inom Tillämpad fysik, maskin- och materialteknik (TFM), Luleå tekniska universitet, Luleå.

Danielson, M. (2007). Pilotstudie nya läckkrav, Scania CV AB, Södertälje.

Enquist, F. m.fl. (2007). The Hydrogen Method, Application Notes, Adixen Sensistor AB, Linköping.

Enquist, F. (2007). Läckteori 1, Adixen Sensistor AB, Linköping.

Hedlund, L. m.fl. (1992). Utbildning tätkontroll, Nolek AB, Norsborg.

Jonsson, J. m.fl. (1982). Tätkrav och tätkontrollmetoder, Nolek AB, Norsborg.

Kaad, O. m.fl. (2003). Gjutning, Chalmers tekniska högskola, Göteborg.

Lindström, B., Rundquist, B. m.fl. (2000). Karlebo handbok, utgåva 15, Liber AB, Stockholm.

Middelman, A. (2006). Provning med över- eller undertryck, Arbetsmiljöverket, Solna.

Moore, P. O. m.fl., (2007). Nondestructive Testing Handbook, 3rd edition, American Society for Nondestructive Testing, USA.

Internetreferenser:

Sounseal AB, www.soundseal.se (2007-12-04)

Impco, www.impco-inc.com (2007-12-04)

Wikipedia, www.wikipedia.org (2007-12-07)

Nationalencyklopedin, www.ne.se (2007-12-06)

Scania CV AB, www.scania.com (2007-12-07)

Gjuteriföreningen, Jönköping, www.gjuteriforeningen.se (2007-12-07)

Alutrade aluminium, www.alutrade.se (2007-12-07)

Sapa, www.sapa.se (2007-12-07)

Bilaga 1

Underlag för angivande av tätkrav för gjutgods

Document type

INSTRUCTION Title

Underlag för angivande av tätkrav för gjutgods File name

Underlag angivelse Approved by (department acronym, name) Date Info class

NMBC Hans Östman 2007-12-05 Internal Issued by (department acronym name phone) Issue Page

NMBC David Enbuske och Johan Olofsson 83114 1 1(5)

STD

1000

0-1

Underlag för angivande av tätkrav för gjutgods

Tillämpning Detta dokument är avsett att fungera som ett underlag för konstruktörer vid angivande av tätkrav på ritning för gjutgods. Den tidigare täthetsstandarden, STD1885 utgår för gjutna artiklar. Inledning Genom omfattande analyser på motorverkstaden har man konstaterat att ca 9 av 10 läckagen på motorn orsakas av porositeter i gjutna aluminiumartiklar i kylvätskesystemet, därför har täthetskraven för dessa beslutats skärpas. Vid gjutning av aluminium bildas porositeter i materialet i mycket större utsträckning än i t ex gjutjärn. Erfarenhetsmässigt har man även under löpande produktion kunnat se att läckaget oftast uppstår (i sannolikt relevanta nivåer) genom en eller ett par poror, alternativt genom ett större antal mycket små poror i en liten del av materialet (porös del) som i dessa nivåer upplevs som en enda por. Tester har visat att hela 98 % av läckagen uppkommer ur endast en enda por (likt det som nämns ovan) med undantag från det att bearbetade ytor kan punktera gjutytan och på så sätt göra att annars gömda porositeter träder fram. Artikelns storlek har normalt därför ingen större betydelse för själva läckaget vilket gör att man därigenom kan tillämpa generella täthetskrav oberoende av artikelns storlek. Detta tankesätt gäller framförallt aluminium artiklar och dessa täthetskrav baseras framförallt på erfarenhetsmässig kunskap då det är väldigt svårt att teoretiskt beräkna täthetskrav. För gjutjärn och övriga metalliska material har man i nuläget väldigt få problem med och därför genomförs ingen större förändring i tätkravet för dessa. Detta beror, som nämnts ovan, på att tillverkningstekniskt är sannolikheten för att porositetsproblem uppstår vid gjutning av järn betydligt lägre än för aluminium. När man pratar om läckage måste man dock i samtliga fall ta hänsyn till driftmedium, temperatur och tryck. Det finns dock givetvis undantag från dessa generella tätkrav. Motorblocket är ett sådant fall, där komplexiteten gör att det sannolikt kan uppstå porositet i en större utsträckning och där det mättekniskt också är väldigt svårt att genomföra relevanta provningar. Mättekniskt är storleken ett problem, artiklar med stor provvolym kan vara besvärliga att tätkontrollera på ett bra sätt. Man måste därför som konstruktör vara medveten om sin konstruktion inte enbart stirra sig blind på de rekommendationer som tas upp i denna konstruktionsanvisning. För att undvika porositeter i gjutgods bör man undvika godsanhopningar och konstruera efter den valda gjutmetoden. Vid godsanhopningar stelnar

Document type

INSTRUCTION Title





STD

1000

0-1

materialet långsammare och risken för porositet ökar således. Godsanhopningar kan vara särskilt vanskliga vid bearbetade ytor då poror lätt öppnas upp då materialets gjuthud punkteras. Som konstruktör bör man vara med i hela produktframtagningsprocessen för att se konsekvensen av sin konstruktion. Tätkrav för gjutgods Nedan följer ett antal punkter som bör beaktas vid angivelse av läckagenivån på ritning baserat på tankegångarna ovan.

1. Det kan vara lämpligt att först överväga om kravet enbart är ett täthetskrav eller om hållfasthetsegenskaper påverkas. Detta då porositeter även kan försvaga materialet och därför kan tätkravet även ses som en styrning av gjutprocessens kvalitet.

2. Tätkravet skall alltid anges i tillåtet läckage av fri luft per

tidsenhet vid ett övertryck i bar och rumstemperatur, vanligen mm3/s inom fordonsindustrin i Sverige. Man bör eftersträva att använda samma provtryck som det verkliga drifttrycket för att simulera de krafter och förskjutningar som uppstår, dock bör provtrycket hållas inom de nivåer som Arbetsmiljöverkets föreskrider (AFS2006:8).

3. Finns det speciella egenskaper hos artikeln som måste beaktas

vid tätkontroll bör även dessa anges på ritningen: • Egenskaper hos tätning/packning som kräver tryckskillnad i en

viss riktning och storlek. • Maximalt tillåtet tryck • Minst nödvändiga tryck • Speciella renhets- och torrhetskrav på provmiljön

4. Täthetskravet skall vara satt artikelvis och inte gälla för

sammansatta artiklar. 5. Konstruktören skall kravsätta läckagenivån baserat på artikelns

material, vilket medium samt tryck och temperatur som produkten utsätts för (enligt Tabell 1). De krav som tas upp i tabell 1 gäller för gjutgods och är erfarenhetsmässigt framtagna. Kravet bör dock genereras genom en dialog mellan konstruktören, tillverkaren samt erfaret folk från monteringen. Detta bl a för att forma kravet så att det är möjligt att kontrollera i löpande produktion. För gjutna artiklar där driftmediet är någon form av gas bör konstruktören utgå från tidigare väl fungerande tätkrav.

Document type

INSTRUCTION Title





STD

1000

0-1

Tabell 1 Tätkrav för gjutgods.

6. Man bör som konstruktör vara medveten om att ett striktare krav än vad funktionen kräver kan resultera i en ökad kostnad genom ökad kassation. Det är alltid möjligt att kraven kommer att behöva ändras efter erfarenhet från produktionsstart, det kan vara en vinst i att verifiera och om nödvändigt korrigera ett satt läckagekrav i detta stadium baserat på verkliga driftförhållanden.

7. Det är en fördel om en utprovning kan ske innan det slutgiltiga

kravet införs på ritning. Porositetsbildningen vid gjutning varierar dock mellan de olika gjutmetoderna. Prototyp- eller förserie sandgjuts ofta och sedan övergår man till pressgjutning för serietillverkning, porositetsbildningen skiljer sig helt och därför kan man inte få relevanta mätresultat genom tätkontroll av förserie (läckage genom poror). Tätkontroll av förserie kan dock användas för att kontrollera förbandet samt för att utforma tätkontrollprocessen.

8. Olika läckagekrav kan måsta tillämpas för en och samma artikel, pga olika tryck, temperatur eller då den utsätts för olika medium (internläckage) etc. Man bör markera kritiska områden med specifika tätkrav för att på så sätt tydliggöra ritningen (tydligare specar) så att både gjutaren är extra noga med urluftningen och fyllningen i det kritiska området samt att kvalitetskontrollen sker på/mäts på korrekt område. Exempel på kritiska områden kan vara tätningsytor, trycksatta ytor etc. Konstruktören skall definiera referensytor för avtätningar. För stora artiklar kan man genom gjutsimuleringar studera porbildningen och på så sätt ange specifika tätkrav för kritiska områden. Vid tätkontroll av stora artiklar kan det av mättekniska

Document type

INSTRUCTION Title





STD

1000

0-1

skäl vara väldigt svårt att ”fånga” ett enstaka läckage och därför kan det vara lämpligt att, om möjligt, tätkontrollera kritiska områden för sig.

V8-blocket är ett exempel där porositetbildningen ofta sker på ett specifikt ställe och tätkontroll begränsad till just detta kritiska område kan vara ett sätt att effektivisera kvalitetskontrollen.

9. Om artikelns placering i systemet gör att den är tidskrävande att

demontera eller om dess komplexitet gör att den av tillverkningstekniska skäl är svår att säkerställa artikelns kvalitetsnivå kan en dialog mellan konstruktör och tillverkare skapas angående impregnering (”Soundseal”) eller annan särbehandlig. Detta förfarande kan också tillämpas då kostnaden för artikeln är stor eller då det av mättekniska skäl är svårt att genomföra en erforderlig tätkontroll.

Ett exempel på detta kan vara V8-blocket där storleken och komplexiteten gör att det blir myckett svårt att genomföra en relevant tätkontroll. Om istället hela blocket impregneras är det möjligt att en högre kvalitetsnivå uppnås och på sikt kan tätkontrolleringen avvecklas helt och hållet.

Angivelse på ritning Vid angivande av tätkrav på ritning för gjutgods ska följande information finnas:

• Referens till TB0000 • Provmedium (luft) • Provtryck, anges som ett övertryck i bar med Pa inom parantes • Temperatur (20°C) • Max läckage per tidsenhet (mm3/s) • Eventuellt speciella egenskaper hos artikeln relevanta för

tätkontrollen

Document type

INSTRUCTION Title





STD

1000

0-1

Exempel 1, normal angivelse:

Exempel 2, med speciella egenskaper:

Exempel 3, tvåkammarartikel:

Bilaga 2

TB tätkontroll av gjutgods

Document type

TECHNICAL REGULATION Title

Tätkontroll av gjutgods File name

TB0000_080205 Approved by (department acronym, name) Date Info class



STD

1000

0-1

Tätkontroll av gjutgods Inledning Denna TB gäller för tätkontroll av gjutgods och avser icke-förstörande provning, dvs tryck- och spårgasmätande tätkontroll. Vattenbad och andra tätkontrollmetoder med vätskor skall ses som en förstörande provning och skall därför ej tillämpas. Bestämmelsen är ej avsedd för tätkontroll av elastiska komponenter. Bestämmelsen skall följas av leverantören vid tätkontroll av varje enskild gjuten komponent i samband med tillverkning. Tätkontrollen måste ske på torr och ren komponent efter det att eventuell bearbetning genomförts.

Innehåll 1 Terminologi ....................................................................................... 1

2 Säkerhet vid provning och teknisk personal.................................. 3

3 Utrustning.......................................................................................... 3

3.1 Fixtur............................................................................................ 4 3.1.1 Avtätningar.....................................................................................................4 3.1.2 Inspänning .....................................................................................................4 3.1.3 Fyllnadskropp.................................................................................................4

3.2 Mätkänslighet .............................................................................. 5 3.3 Kalibrering och verifiering ............................................................ 5 3.4 Loggning av mätdata ................................................................... 5 3.5 Störningskällor ............................................................................. 5 3.6 Stabiliseringstid för tryckmätande provning ................................. 6 3.7 Ackumulationstid för spårgasmätande provning .......................... 6 3.8 Utdata .......................................................................................... 6

3.8.1 Omvandling av gällande täthetskrav till aktuellt provtryck .............................6 3.8.2 Omvandling av gränsvärde för tryckdifferensmätning ...................................8

3.9 Speciella krav för tryckmätande vakuumprovning ....................... 8 3.9.1 Avtätning och inspänning...............................................................................8 3.9.2 Provtryck ........................................................................................................9

1 Terminologi Ja/Nej–metoden Yes/No method Visar godkänt eller icke godkänt läckage i förhållande till uppställda tätkrav. Visar summa läckage, men ej läckagets läge. Metoden kännetecknas ofta också av en grön eller en röd lampa.

Shows acceptable or not acceptable leakage in accordance with the relevant leakage specification. Shows the total leakage but not its location. The method is often known as a green or a red light.

Document type






STD

1000

0-1

Detektera Detection Upptäcka och registrera eller mäta en förändring i t ex tryck eller koncentration.

Detecting and registering or measuring of, for example, a change in pressure or concentration.

Externt läckage External leakage Läckage ut mot fri luft. Leakage to free air.

Fri luft Free air Luft vid atmosfärstryck. Air at atmospheric pressure.

Icke-förstörande provning Non-destructive testing Avser tätkontroll med hjälp av gaser, dvs tryckmätande eller spårgasmätande provning. Vattenbad och övriga provmetoder där vätskor används anses vara förstörande provning.

Refers to leak testing using gases, i.e. pressure measuring or tracer gas systems. Tests where the object is descended into water or other methods using liquids are considered as destructive testing methods.

Internt läckage Internal leakage Läckage mellan två mätvolymer. Leakage between two measured volumes.

Läckage Leakage Tätkravet på ritning anges alltid som maximalt tillåtet läckage per tidsenhet. Läckage kan vara uppdelat på ett flertal ställen varvid det totala utfallet är läckaget.

The leak specification is defined on the drawing as the maximum allowed leakage per unit time. The leakage may be a combination of separate leakages, in which case the combined result is the total leakage.

Läcksökning Leak tracing Avser lokalisering av läckage, men visar ej summa läckage.

Refers to the process of locating the leakage, it does not show the sum of the leakage.

Mättid Measuring time Den tid under vilken förändringar i mätvolymen uppmäts.

The time during which changes in the measured volume are registered.

Provmedium Test medium Det medium som används vid tätkontrollen. Kan vara och är vanligen ett annat medium än det som provobjektet är avsett för, oftast luft eller någon form av spårgas.

The medium used in the leak test. Can be, and usually is, another medium than which the test component is intended for, usually air or a tracer gas.

Provvolym Test volume Den volym inuti eller utanpå provobjektet där förändring uppstår.

The volume inside or on the outside of the component being tested where the changes occurs.

Provtid/cykeltid Test time Tiden från det att provobjektet anslutits eller placerats i provkammaren tills dess att provobjektet kopplats ur.

The time period from when the test component is connected to the test equipment or placed inside a test chamber until the component is disconnected.

Document type






STD

1000

0-1

Spårgas Tracer gas Gas med avvikande egenskaper från luft eller annan gas som omger provobjektet så att den kan detekteras vid ett läckage. Exempel på spårgaser är helium och lågkoncentrerad vätgas.

Gas with deviant properties to air or other gas surrounding the test component which enables detection in the occurrence of a leakage. Typical tracer gases are helium and low concentrated hydrogen gas.

Spårgasdetektor Tracer gas detector Instrument som kan registrera skillnaden mellan exempelvis luft och en utläckande spårgas.

A instrument for registering the difference between air and a leaking tracer gas.

Tryckmätande provning Pressure measuring testing Tätkontroll utnyttjande tryckskillnaden mellan trycksatt provvolym och omgivande luft. Endera mäts differenstrycket eller det flöde som uppstår pga läckaget.

Leak testing utilizing the pressure difference between pressurized test volume and surrounding air. Either the pressured difference is measured or the flow out of the test volume, generated by the leakage.

Tätkontroll Leak testing Avser att kontrollera om provobjektets tätkrav uppfylls.

Refers to controlling whether the leak specification of the test component is satisfied.

2 Säkerhet vid provning och teknisk personal Vid tätkontroll måste Arbetsmiljöverkets föreskrifter om provning med gaser i över- eller undertryck (AFS 2006:8) efterföljas. Denna föreskrift är kraftigt omarbetad från tidigare utgåvor. All provningspersonal måste ta del av den senaste utgåvan. Provning får endast ledas och utföras av den som har kompetens för den provning som skall utföras och känner till de risker som är förenade med provningen. All personal som utför eller ansvarar för produktens kvalitetssäkring genom tätkontroll skall genomgå utbildning för effektivt användande av mätutrustning samt korrekt bedömning av mätresultat. Provningspersonal och ansvariga tjänstemän skall vara medvetna om mätningarnas osäkerhetsfaktorer och kunna analysera eventuella felkällor.

3 Utrustning Leverantören skall inneha av Scania godkänd tätkontrollapparatur. Apparaturen skall utgöras av endera tryckmätande (för differenstryck- eller flödesmätning) eller spårgasmätande instrument. Underhåll av fixturer och kalibrering av instrument och skall göras kontinuerligt enligt specifikation från tillverkare och i samråd med Scania. Spårgasmätande provning har en högre mätkänslighet och är rekommenderat att använda i de fall då tryckmätande provning ej är tillräckligt. Spårgasmätning kan även fungera som en lokaliseringsmetod.

Document type






STD

1000

0-1

3.1 Fixtur Fixturen skall vara så robust att endast mycket begränsade förskjutningar tillåts, detta gäller både provobjekt och fixtur. Vid framtagning av fixtur är det viktigt att återskapa verkliga förhållanden. I de fall undertryck (vakuum) används i så väl spårgas- som tryckmätande provning gäller även 3.9.1 utöver 3.1.1 och 3.1.2.

3.1.1 Avtätningar Avtätning skall ske mot den verkliga funktionsytan och helst med originaltätningar så att inga porer döljs med större avtätningar än i verkligt fall, t ex större tätning runt ett hål än vad tätningsbrickans tätläpp täcker. Undantag gäller då originalpackningen är av sådan typ att den inte lämpar sig för tätkontroll, t ex om tätningen inte är lämplig för upprepade trycksättningar. Det är även viktigt att beakta huruvida avtätningarna tillåts röra sig under mätförloppet. Leverantören måste byta ut packningar och andra tätningar så att man kan säkerställa att dess funktion uppfylls. Vid tryckmätande provning får inga elastiska avtätningar så som gummislangar eller gummipluggar får användas då de fungerar som tryckackumulatorer.

3.1.2 Inspänning Klämkraften skall motsvara verkligt åtdragningsmoment och inspänningspunkterna skall motsvara verkliga förhållanden både till antal och till position. Underleverantören måste också kunna se till att ingen förskjutning eller fjädring uppstår i inspänningen, t ex genom att använda mekaniska stopp för att förhindra eventuell fjädring i pneumatiska cylindrar.

3.1.3 Fyllnadskropp Kan användas för att uppfylla gällande föreskrift angående trycksatt luftmängd (AFS 2006:8), förkorta tätkontrollförloppet och/eller för att uppnå en mätkänslighet vid tryckdifferensmätning enligt tätkontrollinstrumentets specifikationer (se avsnitt 3.2). Fyllnadskropp kan även användas för att minska fyllnadsvolym vid spårgasmätning och därigenom förkorta ackumuleringstiden och minska den volym gas som krävs. Fyllnadskroppen skall vara tillverkad i ett sådant robust material att ingen förskjutning i samband med trycksättning tillåts. Vid tryckmätande provning är det även viktigt att fyllnadskroppen har en god värmeledningsförmåga för att förkorta cykeltiden. Dock bör det beaktas att det inte bara är mätkänsligheten för läckaget som ökar utan även känsligheten för eventuella störningssignaler. För att få en bild av hur stor en fyllnadskropp bör vara kan man använda 1 Pa/s som ett godtyckligt riktvärde för mätkänsligheten. Beräkning för hur stor volym fri luft som krävs för denna mätkänslighet kan sedan genomföras enligt

Document type






STD

1000

0-1

formel 1. Qgränsvärde är i detta fall det volymsflöde som används som gränsvärde för specifikt provtryck angett i mm3/s (se 3.8.1) och volymen Vluft är den provvolym som eftersöks angett i liter (dm3).

10gränsvärde

luft

QV = (1)

Det är dock viktigt att notera att detta inte är ett gränsvärde utan ett riktvärde. Efter det att fyllnadskroppen har tillverkats måste praktiska prover genomföras där man kan visa att mätresultaten är repeterbara och att man tydligt kan skilja på tät artikel och läckande artikel.

3.2 Mätkänslighet För att uppnå tillräcklig mätkänslighet bör man göra flertalet mätningar både på en dokumenterat tät artikel och på samma artikel med ett anslutet kalibreringsläckage motsvarande läckagekravet på ritning. Instrumentet måste repetera resultatet i mätningarna och skillnaden mellan tät och läckande artikel måste vara så stor att det tydligt går att skilja på de två fallen. Mätkänsligheten kan vid tryckmätande provning ökas genom att t ex begränsa objektets volym med en fyllnadskropp (se 3.1.3).

3.3 Kalibrering och verifiering Leverantören skall kalibrera mätutrustningen och verifiera mätresultaten så att man kan visa att produktens specificerade krav uppfylls. Detta gäller oavsett om utrustningen ägs av leverantören, är inlånad eller tillhandahålls av Scania. Kalibrering och justering av all tätkontrollutrustning skall göras enligt specifikation från tillverkare eller vid misstanke om mätstörningar. Verifiering av mätresultaten måste ske med sådan frekvens att eventuella avvikelser upptäcks innan artiklarna går vidare för levereras till Scania (sekventiell kontroll). Observera att vid differenstryckmätande provning måste kalibrering även ske mot en dokumenterat tät artikel (master) då mätningen är volymsberoende, se 3.8.2.

3.4 Loggning av mätdata Som ett led i förbättringsarbetet bör lagring av mätdata från tätkontrollen genomföras, detta för att kunna verifiera och utvärdera mätresultaten, se 3.3.

3.5 Störningskällor Yttre påverkan så som omgivande temperatur och vibrationer måste beaktas. Rumstemperaturen ska vara 20°C och stabila förhållanden bör eftersträvas. Värmekällor så som belysning och solljus eller mänsklig beröring kan påverka mätningarna i sådan grad att produktens

Document type






STD

1000

0-1

kvalitetsnivå inte uppfylls. Vid tryckdifferensmätning bör man beakta att även mätinstrumentet referensvolym också är känslig för störningar på samma sätt som provvolymen. Om artikeln kommit i kontakt med någon form av vätska blir porerna igensatta och efterföljande tätkontroll blir ej relevant. Tätkontroll skall därför alltid ske på torr artikel. Vid spårgasmätning är temperaturvariationer och fukt normalt inget problem, däremot kan utläckande spårgas påverka mätresultatet och ventilering är därför nödvändigt. Läckage i fixtur, avtätning eller annan del av tätkontrollutrustningen bidrar till ett större läckage än artikelns faktiska läckage och bör därför minimeras.

3.6 Stabiliseringstid för tryckmätande provning Stabiliseringstiden är den tid från dess att provobjektet trycksatts och till dess att mätningen påbörjats. Stabiliseringstiden måste vara tillräckligt lång för att temperaturen ska hinna stabilisera sig och eventuella packningar och andra rörliga delar hinner lägga sig på plats innan mätningen påbörjas. En korrekt stabiliseringstid för specifik artikel måste fastställas genom praktisk provning, exempelvis genom att prova med mycket långa tider och sedan förkorta tiderna till dess att mätresultatet avviker.

3.7 Ackumulationstid för spårgasmätande provning Ackumulationsstiden är den tid som krävs för att uppnå en mätbar gaskoncentration. Ackumulationsstiden kan förkortas genom att använda en fyllnadskropp. Spårgasmätning är mindre känsligt för temperaturavvikelser och fukt och därför påverkar dessa faktorer inte det totala tidsförloppet, jmf stabiliseringstid vid tryckmätande provning.

3.8 Utdata Gällande ritningsstandard för läckage är volymsflöde luft per tidsenhet vid ett visst övertryck i bar. Inom fordonsindustrin i Sverige är mm3/s standard. Vid tätkontroll i övertryck bör om möjligt provtrycket på ritning användas för att efterlikna verkliga driftförhållanden.

3.8.1 Omvandling av gällande täthetskrav till aktuellt provtryck Leverantören bör eftersträva att genomföra tätkontroll vid det provtryck som gäller för specificerat läckagekrav men det kan av säkerhetsskäl, eller vid klämkrafts- och/eller temperaturrelaterade problem, vara nödvändigt att använda ett lägre provtryck. I detta fall måste ett nytt gränsvärde beräknas för det eftersökta provtrycket. Beräkningsförfarandet gäller såväl för luft som för övriga gaser. För läckagekravet 25 mm3/s vid 1,5 bar gäller tabell nedan.

Document type






STD

1000

0-1

För övriga läckagekrav, eller då eftersökt gränsvärde ej finns med i tabell, används formel 2. Om man av någon anledning vill använda ett högre provtryck än det som anges på ritning skall formel 3 användas istället. I formlerna anges alltid provtrycket (p) som ett över- eller undertryck i bar och volymsflöde (Q) i mm3/s. Detta beräkningsförfarande används för att räkna konservativt och därigenom säkerställa att läckagekravet uppfylls även vid andra provtryck. Detta illustreras som den gula zonen (tät) i figuren nedan.

1)1(1)1(

2

2

−+−+

=vläckagekra

eftersöktvläckagekratkvadratisk p

pQQ (2)

eftersöktvläckagekra

vläckagekralinjärt p

pQ

Q = (3)

Figur 1 Konservativt beräkningssätt för gaser.

Document type






STD

1000

0-1

Detta beräkningsförfarande gäller endast för omvandling av gällande tätkrav till det eftersökta provtrycket. Om man av någon anledning vill jämföra ett uppmätt resultat med det ursprungliga tätkravet måste samma formel som användes för omvandlingen också användas för den jämförande beräkningen.

3.8.2 Omvandling av gränsvärde för tryckdifferensmätning Då tätkontroll utförs med ett differenstrycksmätande instrument måste det gällande gränsvärdet omvandlas till ett differenstryck för att kunna fastställa maximal läckagenivå. Detta görs genom att en nollnivå fastställs med hjälp av en dokumenterat tät provvolym (master) ur den aktuella artikelserien och därefter seriekopplas en i instrumentet inbyggd kalibreringsläcka, eller en extern referensläcka för den specifika läckagenivån. Gränsvärdet sätts därefter som den uppmätta tryckskillnaden. För att kunna genomföra detta måste man således kunna mäta volymsflödet genom kalibreringsläckaget. En extern flödesmätare kan med fördel användas för detta syfte då den mäter det utgående flödet i atmosfärstryck och därför kan användas även i samband med vakuumprovning. Om tryckdifferensmätningarna genomförs vid ett annat provtryck än det gällande ritningskravet måste ett nytt gränsvärde först beräknas teoretiskt (se 3.8.1) och sedan kalibreras instrumentet mot detta.

3.9 Speciella krav för tryckmätande vakuumprovning Med undertryck menas tryck lägre än det atmosfärsiska trycket, s.k. vakuumtryck. Tryckmätande vakuumprovning används framförallt för att minska temperaturkänsligheten men kan med fördel även användas då tillräcklig klämkraft ej kan uppnås eller av säkerhetsskäl (se avsnitt 2). Den minskade temperaturkänsligheten leder även till kortare stabiliseringstider. Det är även viktigt att tänka på att för att uppnå erforderligt undertryck bör man använda sig av en pump som är tillräcklig för att uppnå det önskade vakuumtrycket även vid relativt stora volymer samt anslutningar och kopplingar som är så grova och korta som möjligt. Vid vakuumprovning mäts vanligen tryckökningen inuti objektet, för omvandling till gällande ritningsstandard (mm3/s), se avsnitt 3.8.2.

3.9.1 Avtätning och inspänning Dessa rekommendationer gäller utöver de som nämnts i 3.1.1 och 3.1.2. Om möjligt skall originaltätningar användas men man bör dock beakta hur dessa reagerar på de krafter som uppstår i undertryck. Insugning av packningar i provobjekt får ej ske och om packningarna komprimeras i en sådan grad att mätresultatet kan påverkas bör mekaniska stopp användas för att begränsa dess deformation. Klämkraften vid inspänning bör motsvara verkligt åtdragningsmoment men detta kan vara svårt att uppnå vid vakuumprovning.

Document type






STD

1000

0-1

3.9.2 Provtryck Vid vakuumprovning måste ett nytt gränsvärde för det eftersökta provtrycket beräknas enligt formel 2 (se 3.8.1) och därefter används en kalibrerings- eller referensläcka för att omvandla det beräknade gränsvärde till ett differenstryck enligt 3.8.2. Kokpunkten för vatten förändras med ändrat provtryck. När en artikel trycksätts med ett vakuumtryck sänker man kokpunkten och vid ca 0,8 bars närmar sig den rumstemperaturen och viss förångning kan ske. Det är därför rekommenderat att välja ett provtryck som inte överstiger 0,8 bars undertryck, och sedan praktiskt visa att kontrollen ger resultat som är repeterbara och att det går att skilja på tät och läckande artikel. Om förångning sker inuti artikeln vid tätkontroll blir mätresultatet missvisande. Luft innehåller alltid vatten i form av naturlig luftfuktighet och det finns således alltid en risk för att förångning inträffar vid höga vakuumtryck. Det kan dock vara fördelaktigt att utnyttja just detta fenomen vid stora temperatur- eller fuktrelaterade problem. Vid betydande temperaturvariationer kan man minska temperaturkänsligheten avsevärt genom att utföra mätning med ett provtryck nära fullt vakuum. Vid fuktrelaterade problem kan man genom att använda ett väldigt högt undertryck (nära fullt vakuum) först koka bort fukten och därefter genomföra tätkontrollen. Detta förfarande kräver dock att man trycksätter objektet upprepade gånger, beroende på problemets natur, och cykeltiden förlängs således avsevärt. Vid dessa höga vakuumtryck förlängs även pumptiden avsevärt, vilket också förlänger cykeltiden.

Bilaga 3

Vakuumprovning Varnäsbolagen

Implementering av vakuumprovning med fyllnadskropp på oljesump dec- 07

Dessa prover genomfördes hos Varnäsföretagen AB som levererar Oljesump till Scania. I proverna användes en fyllnadskropp tillverkad av företaget och syftet var att kontrollera huruvida vakuumprovning av oljesump var möjlig att genomföra. Det nuvarande tätkravet på oljesump är 120 mm3/s vid 0,2 bar övertryck vilket motsvarar ca 250 mm3/s vid 0,7 bar undertryck. Dessa prover utgick ifrån tätkravet 200 mm3/s vid just 0,7 bar undertryck och sedan provades 100, 50 och 35 mm3/s vid samma tryck, syftet var att studera mätkänsligheten och repeterbarheten. Proverna genomfördes tätkrav för tätkrav och växelvist mellan tät artikel och artikel där den i instrumentet inbyggda kalibreringsläckan var inställt på det aktuella kravet. Försöksuppställningen ändrades inte mellan de olika proverna förutom att kalibreringsläckaget omkalibrerades för de olika kraven. Samtliga prover uppvisar god repeterbarhet och vad det gäller mätkänslighet så var det bara på det sista provet (krav: 35 mm3/s vid -0,7 bar) som den blev för låg (målvärde 1 Pa/s för mätkänslighet). Det går fortfarande att skilja på tät och icke tät artikel men skillnaden börjar här bli så pass liten att risken för att någon yttre störsignal förstör mätningen är för stor. Detta visar tydligt att det nuvarande tätkravet utan problem kan användas för denna kontrollmetod, kravet kan sänkas så långt ner som 50 mm3/s innan problem uppstår. Vilket krav som motsvarar en oljetät artikel är dock en helt annan fråga som bör undersökas vidare.

Vakuumprovning, Varnäsföretagen AB, Oljesump med fyllnadskropp.Provtryck: -0,7 bar, stab.tid: 30 s, mättid: 10 s, vilotid: 60 s

Tätkrav: 200 mm3/s vid -0,7 bar. Tätkrav: 100 mm3/s vid -0,7 bar. Differenstryck (Pa) Differenstryck (Pa)

Tät artikel Läckage Tät artikel Läckage28 61 22 3827 61 20 3726 60 20 3726 60 Medel: 20,67 37,3326 59 Differens (Pa): 16,67

Medel: 26,6 60,2 Mätkänslighet (Pa/s): 1,67Differens (Pa): 33,6

Mätkänslighet (Pa/s): 3,36

Tätkrav: 50 mm3/s vid -0,7 bar. Tätkrav: 35 mm3/s vid -0,7 bar. Differenstryck (Pa) Differenstryck (Pa)

Tät artikel Läckage Tät artikel Läckage17 27 17 2517 26 17 2417 26 16 24

Medel: 17 26,33 Medel: 16,67 24,33Differens (Pa): 9,33 Differens (Pa): 7,67

Mätkänslighet (Pa/s): 0,93 Mätkänslighet (Pa/s): 0,77

Bilaga 4

Ytspänningsmätning kylvätska

Mätning av ytspänning kylvätska Ytspänning vid 25 grader Prov nr Blandning 5 min 30 min

1 33% Havoline XLC-PG + 0,05% Chromatech färgmedel 41,8 41,32 50% Havoline XLC-PG + 0,05% Chromatech färgmedel 41 40,43 33% Havoline XLC-PG 42,1 41,24 50% Havoline XLC-PG 41,1 40,85 33% Havoline XLC-EG 42,1 40,86 50% Havoline XLC-EG 41,2 38,27 Referensprov, motorprovning. 30% XLC-PG + 0,05% Chromatech färgmedel 33,1 32,8

Bilaga 5

Presentera differenstryck i flödesenheter

Presentera ett differenstryck i volym per tidsenhet (flöde) För att mätinstrumentet ska kunna estimera ett flödesvärde på ett läckage vid differentialtryckmätning måste den ha en referensläcka att jämföra mot. Inställningarna gäller för mätinstrumentet Nolek S9.

1. Kalibrera K.läcka med vald läckagegräns (mha kalibreringsinstrumentet i trälådan). 2. Ställ in optimal stabtid, dvs hitta den tidpunkt då trycket tidigast kan anses vara

stabiliserat. Börja med 200s som utgångsvärde och gå nedåt tills mätresultatet blir avvikande. Välj sedan en tillräckligt lång stabtid så att resultatet ej blir avvikande.

3. Mät upp tryckskillnaden (∆p) för aktiverad K.läcka mot tät provvolym (gärna flertalet gånger och ta ut medelvärdet).

4. Sätt larmgräns till uppmätt ∆p. 5. Ställ läcktid till samma värde som vald mättid. 6. Kör K.läcka för att se om det presenterade flödet stämmer överens med

kalibreringsinstrumentet. 7. Stäng av K.läcka och genomför mätningen.

OBS! Differenstrycksmätning beror av provobjektets volym, dvs mätningen är artikelberoende. Mätningen kommer dessutom avbrytas när kurvan stött på satt larmgräns, dock kommer flödesvärdet att extrapoleras tills kurvan nått den fulla mättiden. Detta genom att flödet ej är tidsberoende (mm3/s) likt tryckfallet (Pa). Viktigt att notera är dock att instrumentet ej använder det estimerade flödesvärdet för att avgöra om testobjektet läcker eller ej, differenstrycket avgör detta.

Referens- ∆p, K.läcka

∆p = 0

2008:036 civ examensarbete1025622/fulltext01.pdf · 2016. 10. 4. · institutionen för tillämpad...

Documents