Hitsaustekniikka 3/2011 - page 30

3/2011
[
]
28
tavalla on näet suuri vaikutus parametriin
t
15/1
ja siten myös kylmähalkeamariskiin.
Ääriesimerkkinä on helppo ymmärtää aivan
eri asiaksi se, että hitsauskohde ainoastaan
esikuumennetaan tiettyyn lämpötilaan ennen
hitsauksen aloitusta, verrattuna tilanteeseen
jossa ko. lämpötila ylläpidetään koko hitsauk-
sen ajan. Paikallisessa esikuumennuksessa
on myös monia muita tekijöitä, jotka vaikut-
tavat jäähtymistapahtumaan (t
15/1
). Tällaisia
ovat mm.:
esikuumennettavan vyöhykkeen leveys
ympäröivän ilman lämpötila
esikuumennusmenetelmän kuumennusteho
Standardi SFS-EN ISO 13916 (Hitsaus. Esi-
kuumennuslämpötilan, välipalkolämpötilan
ja ylläpitolämpötilan mittausohjeet) on toi-
vottavasti tuonut kaivattua ryhtiä esikuu-
mennuskäytäntöjen yhdenmukaistamiseen
Euroopassa. Yksi ongelma on kuitenkin, että
em. käytännön rakenteista mitattu t
15/1
-da-
ta perustuu japanilaisiin esikuumennuskäy-
täntöihin. Esimerkiksi JSSC:n keräämässä
aineistossa esikuumennusvyöhykkeen levey-
deksi on määritetty 2 x aineenpaksuus. Tä-
mä poikkeaa eurooppalaisesta standardista,
jonka mukaan esikuumennuslämpötilan mit-
tauspaikaksi on määritetty 75 mm etäisyys
railon reunasta ja lämmönlähteen sijaintiin
nähden vastakkainen puoli.
Mielenkiintoisia ovat myös JSSC:n antamat
suositukset keräämänsä t
15/1
-datan poh-
jalta. Esimerkiksi 25 mm aineenpaksuuden
tapauksessa 150 °C esikuumennuslämpö-
tilaa tulee paikallisen esikuumennuksen
tapauksessa nostaa 15 °C, jos ympäröivän
ilman lämpötila laskee lämpötilasta 25 °C
lämpötilaan 0 °C. Kuumennusnopeuteen
liittyvät korjaustarpeet suuntaan tai toiseen
ovat samaa suuruusluokkaa, kun puolitetaan
tai tuplataan kuumennusnopeus arvosta 0,2
°C / s. Viimemainittu korjaustarve johtunee
pitkälti kuitenkin siitä, että lämpötilan mitta-
us on tapahtunut lämmönlähteen puolelta.
Loppupäätelmäksi edellä esitetystä tulee
niin muodoin, että esikuumennusta koske-
vissa suosituksissa on syytä ilmaista, millä
t
15/1
-arvoilla ne on määritetty. Hitsaavan
teollisuuden huoleksi lienee siis jätettävä
sen varmistaminen, että t
15/1
-arvolle näin
asetettu minimi toteutuu käytetyllä esikuu-
mennusproseduurilla.
Hitsiaineen
kylmähalkeamariskin arviointi
Hitsiaineen kylmähalkeiluherkkyys lisääntyy
lujuuden kohotessa, ja on usein perusainetta
suurempi, kun hitsiaineen myötölujuus ylittää
550–600 MPa. Halkeiluriski kasvaa hitsiai-
neen lujuuden ja vetypitoisuuden kohotessa.
Erityisen alttiita halkeilulle ovat massiiviset
rakenneosat, joiden jäykkyys on suuri ja
hitsattavat levyt paksuja; hitsaus tehdään
useaa palkokerrosta käyttäen, jolloin hitsiai-
ne voi olla herkkä täyttöpaloissa esiintyvälle
poikittaiselle halkeilulle.
Nykyiset standardit, kuten SFS-EN 1011-2
eivät kuitenkaan anna yksikäsitteisiä, tie-
teellisesti varmennettuja laskentaohjeita ti-
lanteisiin, joissa käytettävä esikuumennus-/
välipalkolämpötila täytyy valita hitsiaineen,
eikä teräksen, halkeiluherkkyyden mukaan.
Useat tunnetuista halkeamakokeista, kuten
Implant-, Tekken-y, Cruciform ja CTS- koe,
on aikanaan kehitetty perusaineen muutos-
vyöhykkeen (HAZ) vetyhalkeiluherkkyyden
arviointiin juuripalon ja/tai palon alaisen
halkeilun tapauksiin. Olemassa olevat las-
kentamenetelmät taas antavat liian usein
keskenään ristiriitaisia tuloksia. Hitsatun ra-
kenteen valmistajan onkin vaikea vakuuttua
siitä, että kulloinkin valittu esikuumennus- ja
välipalkolämpötila todella johtaa turvalliseen,
rakenteellisesti eheään lopputulokseen, mi-
käli hitsiaine on liitoksen halkeamaherkin
vyöhyke.
Hitsiaineen vetyhalkeilun välttämiseksi tar-
vittavan esikuumennus/välipalkolämpötilan
määrittämiseen soveltuvista menetelmistä
ainoastaan japanilaiset, Okuda et al. ja Yurio-
kan menetelmät [8–11] todella perustuvat
monipalkohitsien halkeamakokeisiin. Muut
menetelmät ovat lähinnä joko muunnelmia
alun perin HAZ:n halkeilutapauksiin johde-
tuista laskentakaavoista - kuten SFS-EN
1011-2 Tapa B, tai perustuvat yhdellä palolla
hitsattuihin halkeamakokeisiin (~hitsiaineen
juurihalkeaminen). Lisäksi eräiden muuttuji-
en vaikutuksista monipalkohitsiaineen vety-
halkeiluun vallitsee tyystin eriäviä käsityksiä.
Esimerkiksi valmiin hitsin paksuuden (eli hit-
sattujen palkokerrosten kokonaispaksuuden)
vaikutuksesta ei ole yksikäsitteisiä tuloksia;
Yurioka [10,11] esittää hitsiaineen vetyhal-
keiluriskin vähenevän paksuuden pienentyes-
sä - samaan tapaan kuin HAZ:n vetyhalkeilun
suhteen on laita, kun taas Okuda [8,9] ei
kokeissaan havainnut mitään merkittävää
hitsin paksuuden vaikutusta paksuusalueella
20–80 mm.
Lämmöntuonnin vaikutuksesta hitsiaineen
vetyhalkeilutaipumukseen on niin ikään kah-
talaisia näkemyksiä; SFS-EN 1011-2: 2001
Tapa B mukainen esikuumennuslämpötilan
laskentakaava, jonka standardissa todetaan
soveltuvan myös hitsiaineen halkeilutapauk-
siin, osoittaa pienen lämmöntuonnin lisäävän
esikuumennustarvetta, kun taas esimerkiksi
The Welding Institute’n aiemmat koetulokset
[15] antavat viitteitä hitsiaineen halkeiluris-
kin korostumisesta suurilla lämmöntuonneil-
la hitsatuissa monipalkoliitoksissa.
Monipalkohitsiaineen vetyhalkeilu tapahtuu
yleensä täyttöpaloissa, poikittain hitsaus-
suuntaan nähden. Poikittaisten vetyhal-
keamien ydintymistä viimeisenä hitsattuihin
palkokerroksiin on selitetty vety- ja jännityste-
kijän yhteisvaikutuksella: sekä pituussuuntai-
nen hitsausjäännösjännitys että paikallinen
vetykonsentraatio ovat suurimmillaan täyt-
töpalkokerroksissa. Lisäksi paksuun levyyn
muodostuva kolmiaksiaalinen jännitystila
voimistaa entisestään vedyn akkumuloitu-
mista, ja näin monipalkohitsiaineen halkei-
lutaipumusta.
VTT:n ja Oulun Yliopiston 2000-luvun tait-
teessa toteuttamassa tutkimusprojektissa
selvitettiin kokeellisin ja laskennallisin me-
netelmin, mitkä seikat kaikkein keskeisim-
min vaikuttavat hitsiaineen vetyhalkeilutai-
pumukseen monipalkohitsauksessa [3,5].
Tutkimuksin määritettiin halkeamarajat joi-
den avulla hitsin kriittinen vetypitoisuus voi-
daan luotettavasti laskea halkeiluherkkyyttä
parhaiten kuvaavien materiaali- ja rakenne-
parametrien avulla, sekä kehitettiin analyyt-
tisiä menetelmiä turvallisen esikuumennus/
välipalkolämpötilan laskemiseksi tilanteisiin
joissa rajatarkastelu osoittaa halkeiluvaaran
ilmeiseksi. On tärkeä tiedostaa, ettei kylmä-
halkeaman kannalta kriittinen kovuus vält-
tämättä ole yhtäläinen HAZ:n ja hitsiaineen
tapauksessa [3,5] – täten yksinomaan ko-
vuuksia vertailemalla ei voida aukottomasti
sanoa, kumpi em. vyöhykkeistä dominoi hit-
satun liitoksen kylmähalkeilukäyttäytymistä.
Yhteenveto
Viime joulukuun HT-lehden artikkelissa kä-
siteltiin uuden erikoislujan Optim 700 QL
- nuorrutusteräksen kylmähalkeamariskiä
erityisesti muutosvyöhykkeen osalta. Yh-
tenä lähtökohtana oli, että eurooppalaiset
hitsausstandardit eivät laskentaohjeissaan
ota kattavasti huomioon halkeamisen jänni-
tystekijää ja siten esimerkiksi railomuodon
vaikutusta. Tähän tarkoitukseen soveltuu
standardoituja menetelmiä paremmin VTT-
Osaka -menetelmä, jota artikkelin kuvaa-
massa työssä oli käytetty. Tämä menetelmä
syventää myös sekä vety- että mikrorakenne-
tekijän vaikutusten arviointia. Näin muodoin
parametrien ja niihin vaikuttavien tekijöiden
määrä kasvaa ja menetelmän käyttö vaatii
osaamista luotettavien tulosten saamiseksi.
Tämän osaamisen hankkiminen on kuiten-
kin mielekästä, koska se voi parhaimmillaan
johtaa kylmähalkeamariskin välttämisessä
uusiin, luotettaviin ja kustannustehokkaisiin
ratkaisuihin, kuten railomuodon optimointi ja
alilujan lisäaineen käyttö. Lisäksi VTT-Osaka
-menetelmässä lanseeratut parametrit voivat
toimia välittävinä linkkeinä pienen mittakaa-
van halkeamakokeiden, mm. Implant -kokeen
tulosten hyödyntämisessä määritettäessä
kylmähalkeamariskin edellyttämiä varotoi-
menpiteitä käytännön hitsaukseen.
Tämän palautteen kirjoittajat ovat hankki-
neet VTT:llä ja kansainvälisessä yhteistyössä
pitkäaikaisen kokemuksen kylmähalkeama-
riskin kokeellisesta ja laskennallisesta ar-
vioinnista. Tältä pohjalta olemme pyrkineet
edellä valottamaan VTT-Osaka -menetelmän
tarjoamia mahdollisuuksia. Samalla olemme
tuoneet esiin myös menetelmän rajoituksia
1...,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29 31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,...68
Powered by FlippingBook