3/2011
[
]
25
suora) samaksi kuin huoneenlämpötilako-
keissa ja kovuustermin HV
max
esikuumen-
nuksesta aiheutuva muutos olemattomaksi
- (vi) lasketaan uusi, po. esikuumennus-
lämpötilaa vastaava Implant -murtojännitys
σ
netcr(Tp)
- (vii) käytetään tätä
σ
netcr(Tp)
-arvoa lasket-
taessa VTT-Osaka -menetelmällä ’uusi’
ΣI
att
-parametrin arvo, jossa esikuumennuksen
halkeilua lieventävä vaikutus on täten ’si-
sään laskettuna’.
Kuten yo. kuvan 5 esimerkistä havaittiin,
kovuuserot eri lämmöntuonneilla jäävät
tutkitulla japanilaisella nuorrutusteräksellä
varsin pieniksi. Tällöin tulee helposti mieleen
käyttää vain yhtä regressiosuoraa ja ekstra-
poloida tälle kovuuskorjaus interpoloinnin
asemasta. Vaarana tällöin alkaa kuitenkin
olla se, että tulokset tuskin ovat tarkempia
tai luotettavampia kuin VTT-Osaka- menetel-
mällä suoraan lasketut. Näin on varsinkin
tapauksessa, jossa yhdellä, varmistukseksi
tehdyllä Implant -koesarjalla saatu
σ
netcr
-arvo
vastaa laskettua.
Vielä on paikallaan varoituksen sana koskien
varmuustekijää s.f. ja siihen liittyviä seikkoja,
joita artikkelin kirjoittajat eivät ole tuoneet
eksplisiittisesti esille. Vaikka Implant -koe-
tulosten hajonta olisi pieni ja tuloksena saa-
taisiin kauniit regressiosuorat tilastollisesti
ahtaine luotettavuusrajoineen, käytännön
hitsauksessa esiintyy parametreihin liittyen
enemmän hajontatekijöitä. Näiden tunnista-
misen osalta viittaamme lähteeseen [2]. Ha-
luamme lisäksi painottaa sitä, että tilastoma-
tematiikka ei huomioi hitsausta fysikaalisena
tapahtumana. Kun VTT-Osaka -menetelmää
kehitettäessä vertailtiin Implant -kokeen ja
käytäntöä jäljittelevän RRC -halkeamakokeen
tuloksia, päädyttiin korrelaatioon:
■
■
σ
netcr(imp)
= ( F
I(RRC)
/ F
I(imp)
) . (
σ
netcr(RRC)
+ 50 N/mm
2
)
Kysymys kuuluu, mistä tulee tuo 50 N/mm
2
,
joka lisää RRC -kokeen, ja siis ilmeisesti
myös todellisen päittäisliitoksen, ankaruutta
suhteessa Implant -kokeeseen. Tämä ei voi
aiemmin kerrotun perusteella olla seurausta
Implant -koesauvan loven pyöristyssätees-
tä. Syytä jäljittäessämme totesimme, että
hitsien poikkileikkauksista havaitsemamme
halkeamat painottuivat voimakkaasti hitsin
keskiosaan pituussuunnassa. Halkeamaten-
denssi oli selvästi vähäisempi hitsin pää-
dyissä. Tämän havainnon takia määritimme
sekä Mathar-Soete -tyyppisellä reiänporaus-
menetelmällä että röntgendiffraktiometri-
aan perustuvalla kameramenetelmällä RRC
-koehitsin poikittaisjännityksen jakauman
hitsin pituussuunnassa. Mittaus tehtiin R
F
-tasolla 6500 N/mm
2
. Hitsin poikkipinta-alaa
kohti laskettu keskijännitys
σ
net
oli 325 N/
mm
2
, päätyjen alueella selvästi tätä pienem-
pi: n. 275 N/mm
2
ja keskiosassa juuri tuon
50 N/mm
2
keskiarvoa korkeampi, eli 375 N/
mm
2
. Selitykseksi tälle otimme referenssiksi
vapaasti kutistuvan hitsin jännitysjakauman,
jonka on yleisesti esitetty saavan kuvassa 6
esitetyn muodon. Havaintomme osoittavat
siis varsin selvästi sen, että vapaan liitok-
sen jännitykset superponoituvat jäykän lii-
toksen jännityksiin kuvassa esitetyllä tavalla.
Vapaan liitoksen poikittainen hitsausjännitys
voidaan kuvata syntymismekanismiltaan se-
kundääriseksi. Pituussuuntainen kutistuma
lyhentää hitsiä, mikä puolestaan vetää hitsiä
kiinni päädyissä ja auki keskiosassa. Eräät
venäläiset tutkijat ovat myöhemmin pääty-
neet samaan tulokseen: päittäisliitoksen
keskiosassa vallitsee noin 50 MPa keski-
määräistä suurempi poikittainen vetojänni-
tys. Tämä seikka on syytä ottaa huomioon
tehtäessä Implant -kokeen tulosten perus-
teella ohjeistuksia käytännön hitsaukseen.
Edellä mainitun ”jännityslisän” vaikutus on
suhteellisesti suurempi matalilla jäykkyyden
ja poikittaisten jännitysten tasolla kuin suu-
rilla. Paras tapa hoitaa asia onkin lisätä suo-
raan rakenteen R
F
-arvon pohjalta laskettuun
σ
net(str)
-arvoon +50 MPa, eikä sisällyttää sitä
varmuustekijään s.f.
Kuvaamillamme keinoin on Implant -kokeen
tulosten käyttö vankalla pohjalla kylmähal-
keamariskin ja sen vaatimien varotoimen-
piteiden arvioinnissa niin C-Mn -tyyppisillä
kuin niukkaseosteisillakin rakenneteräksillä.
Seosteräksien kohdalla saattaa tulla vaike-
uksia. Havaitsimme 9 % Ni -terästä hitsat-
tuamme, että hitsin poikittainen jännitys jäi
selvästi pienemmäksi kuin sen olisi pitänyt
kyseisellä R
F
-tasolla. Syyn tähän päätte-
limme yhdessä Kawasakin asiantuntijoiden
kanssa. Kyseisellä teräksellä
γ–α
-faasitrans-
formaation aiheuttama tilavuuden muutos on
rakenneteräksiä selvästi suurempi ja tapah-
tuessaan myös merkittävästi matalammassa
lämpötilassa se pystyy ”leikkaamaan pois”
osan reaktiojännityksistä. Koska Implant -ko-
keessa käytetään ulkopuolista kuormaa, se
ei pysty tunnistamaan tällaista todellisessa
9 % Ni -teräksen hitsausliitoksessa tapah-
tuvaa ilmiötä, joka vähentää todellista kyl-
mähalkeamariskiä. Tällaisten seosterästen
juurihalkeamariskin arviointiin suositamme
Implant -kokeen sijaan Restraint -tyyppistä
halkeamakoetta, joka mahdollistaa hitsin
itsensä aiheuttamien reaktiojännitysten
syntymisen (nk. self-restraint -koe). Valitet-
tavasti tällaiset kokeet ovat kuitenkin Implant
-kokeita työläämpiä ja kalliimpia suorittaa.
Laitevalmiudet niiden tekemiseen tulisi joka
tapauksessa ylläpitää edelleen Suomessa.
Näkökohtia keskeisten
parametrien arvojen valinnasta
Edellä mainittu JWS:n kyselytutkimus osoitti
yhtäpitävästi kirjoittajien kokemuksen kans-
sa, että monissa käytännön kylmähalkeama-
tilanteissa riski on ollut joko ”ylikorostunut”
tai tätäkin useammin suhteellisen lievä.
Välimaasto on teollisuudessa ” hanskattu”
yleensä varsin mallikkaasti.
Esimerkki ylikorostuneesta tilanteesta on,
että joudutaan käyttämään korkeita, lähellä
teräksen Ms-lämpötilaa olevia esikuumen-
nus- ja välipalkolämpötiloja. Tällöin ongel-
maksi nousee se, että vedyn diffuusioker-
roin austeniitissa on reilusti kaksi dekadia
pienempi kuin sen hajautumistuotteissa
(esim. ferriitissä tai martensiitissa). Vedyn
poistumisedellytysten heiketessä tätä kautta
halkeamariski luonnollisesti korostuu liitok-
sen lopulta jäähdyttyä huoneenlämpötilaan.
Selvästi edellistä yleisempiä ovat tilanteet,
joissa varotoimenpidetarve on suhteellisen
vähäinen, mutta satunnaiseen riskitason
Kuva 6. Vapaasti kutistumaan pääsevän
päittäisliitoksen jännitysjakauma, joka
tulostemme mukaan superponoituu jäykän
rakenteen tapauksessa reaktiojännityksiin:
katkoviiva kuvassa c.
