Hitsattu rakenne vikojen vaikutus lujuuteen ja elinikään

Transkriptio

1 Hitsattu rakenne vikojen vaikutus lujuuteen ja elinikään Pertti Auerkari & Jorma Salonen VTT, Espoo sähköposti: SHY NDT-päivät, Turku

2 22/09/ Hitsaus heikentää? Hitsausliitos tuo rakenteeseen Jännityksiä keskittäviä muotoja & vikoja, jäännösjännityksiä (yleensä haitta) sekä materiaaliominaisuuksien epäjatkuvuutta, hajontaa ja heikkoutta Materiaalin ja olosuhteiden mukaisia haasteita kestävyydelle, jota käytössä rajaavat esim. väsyminen, viruminen, kuluminen ja/tai korroosio Uudistuvat standardit ja versiot : esim. - EN (painelaitteet) - EN 1090 (hitsatut rakenteet) - EN ISO 3834 (laatuvaatimukset) - EN ISO / 5817 (virheet/luokat) Esimerkkejä ja tulevaisuus

3 22/09/ Hitsattu rakenne - Kun hitsin viat ovat kookkaita ja näkyviä, haitat ovat ilmeisiä - Suurikin vika voi olla kätkössä (päältä kaunis, valuvika ) - Toisessa ääripäässä myös ehjä hitsi heikentää muodon, jäännösjännitysten ja/tai materiaaliteknisten syiden vaikutuksesta: hitsissä ei ole vikaa, kun ne otetaan onnistuneesti huomioon

4 22/09/ Päittäisliitos SMAW/GTAW Ø400 x 30 mm 7CrMoVTiB10-10 (P24) QA: OK Virumiskokeet Perusainelujuus R 0.8 R 0.64 R Virumismurtuma hitsiaineessa, ei perusaineessa tai HAZ:ssa perusaineen lujuusetuja hankala hyödyntää hitsattuna esim. voimalaitosten höyryputkistoihin Lämpötilakompensoitu murtoaika

5 22/09/ Virumissärö niukkaseosteisen teräksen hitsausliitoksessa - Ferriittisen teräksen hitsausliitoksen virumislujuudeltaan heikoin kohta on uloin HAZ (ICHAZ) - Pyritään sijoittamaan pois kuormitetusta suunnasta; aina ei onnistu, tai käytetään kauemmin tai tiukemmilla käyttöarvoilla kuin oli suunniteltu - Positiivinen puoli: 95-99% virumisvauriosta on hitseissä ( mekaanisissa sulakkeissa ) joihin tarkastukset ja korjaustoimenpiteet voidaan keskittää

6 22/09/ Vikaantuminen hitsauksessa Kylmähalkeama nuorrutusteräksen hitsissä (martensiittia, kovuus ~400HV)

7 22/09/ Korroosio Jännityskorroosiomurtuma seostamattoman teräksen HAZ:issa (ja perusaineessa): ympäristö + jännitys

8 22/09/ Pienaliitoksen muoto ja mitat Liitosgeometria lujuus, SCF, väsymisluokka (FAT) vaurioalttius yleensä laatu, kustannukset Kokkonen ym. 2013

9 22/09/ Kuormaa kantamaton ristiliitos Pienaliitoksen reunan tehollinen pyöristyssäde R h kasvaa lovikerroin pienenee Laskennallinen muotovaikutus todellisista pienaliitoksista mitatuilla geometrioilla Kokkonen ym. 2013

10 22/09/ Kuormaa kantamaton ristiliitos Pienaliitoksen reunan tehollinen pyöristyssäde R h kasvaa väsymislujuus paranee pidennetty elinikä Pelkkä geometrinen vaikutus, kuitenkin todellisista pienaliitoksista mitatuilla geometrioilla Kokkonen ym. 2013

11 22/09/ Väsynyt hitsi Ydintyminen epäjatkuvuuskohtaan: geometria, jäännösjännitykset, (materiaalitransitio) Hitsausvirheet helpottavat ydintymistä ja kasvua Melko suora murtuma tav. rakeiden läpi Murtopinnassa väsymisjäljet (ellei hapettunut tai syöpynyt) Mahdollisesti useampia rinnakkaisia säröjä

12 22/09/ Väsynyt hitsi Pysähtynyt väsymissärö murtuman vieressä Murtuma rakeiden läpi Niukasti, lyhyelti tai ei lainkaan haarautuva

13 22/09/ Hitsin reunan parantaminen leveys säde syvyys perusaine (levy) hitsi Perinteisiä hitsin reunan (sularaja-alueen) parannusmenetelmiä ovat mm. hionta, vasarointi ja uudelleensulatus TIGillä, joilla saadaan sularaja-alueen muoto loivemmaksi ja väsymislujuus (FAT) nousee jopa kolme luokkaa Vielä paremmat tekniikat tähtäävät myös jäännösjännitystilan parantamiseen

14 22/09/ Miten hitsejä parannetaan esimerkki Pienaliitos ilman käsittelyä FAT 80 Suurtaajuusvasarointi (UÄ, HFMI): - hitsin väsymislujuus (FAT) nousee käsittelyllä jopa 8 luokkaa - huomattavasti tehokkaampaa kuin perinteinen mekaaninen vasarointi - tulos riippuu liitoksesta, myötölujuudesta ja kuormitussuhteesta (R) - perustuu sekä muodon että jäännösjännitystilan parantamiseen, poistaa myös reunahaavan vaikutuksia - vaatii tukevan iskun, hitsiin selvä ura - laitteita usealta valmistajalta Marquis 2013

15 22/09/ Yhteenveto Hitsaus on v-s, ilman ei pärjää Ehjäkin hitsi heikentää: vikoja ovat tässä mielessä myös muodoista, jäännösjännityksistä ja metallurgisista syistä syntyvät heikennykset Heikennykseen vaikuttavat mm. rajaava vauriomekanismi, materiaali, liitos ja sen kuormitustapa: esimerkkejä teräsrakenteiden hitsausliitosten virumisesta, väsymisestä ja korroosiosta Onnistunut suunnittelu, valmistus ja käsittely parantavat tulosta, esim. suurtaajuusvasarointi väsymislujuutta

16 22/09/ Kiitoksia Prof. Gary Marquis, Aalto-yliopisto Dr Pekka Nevasmaa, VTT Kirjallisuutta (esim.) 1. Marquis GB. An IIW Guideline for Fatigue Strength Improvement of Steel Structures by High Frequency Mechanical Impact (HFMI). Proc. 7th Asia Pacific IIW International Congress, July 2013, Singapore, p Kokkonen P, Riihiaho R, Kupiainen V, Kallinen E, Siren M, Nevasmaa P. Hitsien ohjelmallinen luokittelu ja väsymiskestävyyden arviointi mitatulla hitsigeometrialla. Hitsaustekniikka 63(3) 2013, Auerkari P, Holmström S, Nevasmaa P, Salonen J. Performance of Welded Low-Alloy Steels T/P23 and T/P24 for Power Plant Applications. Proc. 7th Asia Pacific IIW International Congress, July 2013, Singapore, p