Seostamattomien ja niukkaseosteisten terästen hitsaus

Transkriptio

1 Seostamattomien ja niukkaseosteisten terästen hitsaus

2 Mustat teräkset yleiset rakenneteräkset, esim. S235JR, S355J3G3-Z25 ja S420 paineastiateräkset, esim. P235GH, P355N ja H II DIN laivanrakennusteräkset, esim. NV A36 ja ABEH36TM säänkestävät Corten -laadut, esim. Corten B ja S355J0WP hiiliteräkset niukkahiiliset teräkset 0,05-0,25%C keskihiiliset teräkset 0,25-0,60%C, esim. UIC 900A runsashiiliset teräkset 0,60-2,11%C, esim. R260 työkaluteräkset 0,60-1,40%C, esim. UHB 15 ylieutektoidiset teräkset, 1,00-1,85%C, esim. Damascus Steel lujat rakenneteräkset, esim. S690QL, Weldox 700, Dillimax 690, RQT 701, Domex 650 MC ja Raex Optim 700 MC toimitustila, mm. termomekaanisesti valssattu (TM) sammutettu ja päästetty, nuorrutettu (QT) sammutettu, karkaistu (Q) termomekaanisesti valssattu ja nuorrutettu (TM+Q&T) kylmämuovattava (C) ultralujat teräkset, esim. QC 960, S1100QL ja Armox 370T kulutusteräkset, esim. Hardox 400, Raex 500 ja Dillidur 400

3 nuorrutusteräkset, esim. MoC210 (25CrMo4), MoC410 (42CrMo4), 30CrNiMo8 ja Imacro hiiletysteräkset, esim. MoCN 206 (20NiCrMo2-2) jousiteräkset, esim. 51CrV4 koneteräkset, esim. 520 MW+ ja Hydax 15 kuulalaakeriteräkset, esim. 100CrMo7 taeteräkset, esim. Imamic booriteräkset, esim. B24 ja B27 nitrausteräkset, esim. 20CrMoV5-7 (Imanite M) seostamattomat ja niukkaseosteiset kuumalujat teräkset, esim. (St35.8), 16Mo3, 13CrMo4-5 ja 10CrMo9-10 mangaaniteräkset, esim. Hadfieldin Mn-teräs (Mn 13%) nikkeliteräkset, kylmänsitkeät 2.25%, 3.5%, 5% ja 9% Niteräkset, LPG- ja LNG-teräkset Maraging-teräkset, esim. Fe-18Ni-8Co, sammutus ja erkautuskäsittely

4 Kymmenen mustan teräksen hitsauksen metallurgista ongelmaa 1. kuumahalkeama, jähmettymishalkeama 2. kylmähalkeama, vetyhalkeama 3. lamellirepeily 4. heikentynyt hitsiaineen sitkeys 5. heikentynyt muutosvyöhykkeen (HAZ) sitkeys 6. heikentynyt väsymiskestävyys 7. heikentynyt lujuus, pehmeät vyöhykkeet 8. myöstön heikentämä sitkeys 9. myöstöhalkeama 10.haurasmurtumakäyttäytyminen (tkk-ferriitti)

5 Miten välttää ongelmat? Teräksen valinta (koostumus ja tila) Lämmöntuonti [kj/mm] t 8/5 Hitsausaineet (lisäaineet, kaasut ja jauheet) Laadunvarmistustoimenpiteet (puhtaus, laitteet, parametrit ja WPS, mitat ja mittatarkkuudet, ammattitaito ja motivaatio) Ulkoiset olosuhteet (kuormitus, kosteus, lämpötila, korroosio, konepaja- tai asennusolosuhteet)

6

7

8

9

10 HITSATTAVUUDEN ARVIOINTI Koostumus ja laskentakaavat Tila Tasapainopiirros (Fe-C, Fe-Fe 3 C) Mikrorakenne (F, P, B, M, A, Fe 3 C) Kovuus (HV, HB, HR) S-käyrät (CCT) Hitsattavuus- ja menetelmäkokeet

11 Hitsattavuuden arviointi Hiiliekvivalentit CE(IIW) = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15 Dearden ja O Neill v C-, C-Mn-, seostamattomat ja niukkaseosteiset rakenneteräkset sekä hienoraeteräkset Yleisesti käytetyt rakenneteräkset: S235 ja S355 tai vastaavat teräkset CE(IIW) perustuu karkenevuuteen eli kykyyn (helppouteen) muodostaa martensiittia HAZ:in karkearakeiselle alueelle Arvioidaan kylmähalkeilualttiutta 0,41 0,43 0,45 jopa yli 0,50 Vety, lämmöntuonti, yhdistetty aineenpaksuus, esilämmitys CET = C + (Mn + Mo)/10 + (Cr + Cu)/20 + Ni/40 Seostamattomat, niukkaseosteiset ja hienoraeteräkset CET perustuu karkenevuuteen Arvioidaan kylmähalkeilualttiutta Vety, lämmöntuonti, aineenpaksuus, esilämmitys Käytetään erityisesti esikuumennuslämpötilan määräämisessä

12 Säröparametri (halkeamaparametri) Pcm = C + Si/30 + Mn/20 + Cu/20 + Ni/60 + Cr/20 + Mo/15 + V/10 + 5B Ito ja Bessyo v Niukkaseosteiset, lujat rakenneteräkset Esim. lujat hienoraeteräkset, nuorrutusteräkset, kulutusteräkset, booriteräkset ja kuumalujat mustat teräkset Perustuu täysin karenneen mikrorakenteen kovuuteen 0,27 0,30 CEN=C+f(C) x {Si/24 + Mn/6 + Cu/15 + Ni/20 + (Cr + Mo + Nb + V)/5} f(c) = tanh {20 (C 0.12)} Yorioka v Pyritty yhdistämään CE(IIW), CET ja Pcm Laajempi käytettävyys Kun C on yli 0.15 %, CEN on samaa suuruusluokkaa kuin CE(IIW)

13 UCS = 230 x C x S + 75 x P + 45 x Nb 12.3 x Si 5.4 x Mn 1 (Unit of Cracking Susceptibility) Seostamattomat ja niukkaseosteiset rakenneteräkset ja koneteräkset Arvioidaan kuumahalkeilualttiutta Erityisesti jauhekaarihitsaukseen, mutta soveltuu myös muille hitsausmenetelmille Taipumus on pieni, kun UCS < 10 ja suuri, kun UCS > 30 HCS = 10³ x C x {S + P + (Si/25 + Ni/100) / (3 x Mn + Cr + Mo + V)} (Hot Cracking Susceptibility) Seostamattomat ja niukkaseosteiset rakenneteräkset ja koneteräkset Arvioidaan kuumahalkeilualttiutta Taipumus pieni, kun HCS < 4

14 CS = Cr x Mo x V 2 (Crack Susceptibility) Kuumalujat mustat CrMoV teräkset, esim. 16Mo3, 13CrMo4-5, 10CrMo9-10 ja vastaavat Arvioidaan myöstöhalkeilualttiutta Taipumus on pieni, kun CS < 0 Koostumustiedot AINESTODISTUKSISTA, ei esitteestä tai mainoslehtisestä!!! Missä TILASSA (toimitustilassa) hitsattava teräs on? Mikä kaava missäkin tapauksessa?

15 kuumavalssattu pehmeäksihehkutettu normalisoitu jännitystenpoistohehkutettu kylmämuokattu termomekaanisesti käsitelty nuorrutettu sammutettu erkautuskarkaistu Toimitustila

16

17 C-, C-Mn- ja mikroseosteiset teräkset Menetelmiä HAZ-vyöhykkeen sitkeyden parantamiseksi: 1. Valitse teräs, jolla on pienempi hiilipitoisuus ja pienempi hiiliekvivalentti/säröparametri 2. Valitse teräs, jolla on pienempi raekoko 3. Valitse teräs, joka on tiivistetty (Al-tiivistetty) 4. Valitse teräs, jolla on alhainen typpipitoisuus ja pieni välisijatyppipitoisuus 5. Valitse teräs, jolla on suurempi perusaineen sitkeys ( pehmeä ) 6. Valitse puhtaampi teräs, so. teräs, jolla on pieni S- ja P-pitoisuus, S+P<0,04%, S<0,03% ja Mn/S> Muista, että lämmöntuonnilla yli (noin) 3.5 kj/mm Nb- ja V-lisäykset alentavat HAZvyöhykkeen sitkeyttä vs. vastaava C-Mn-teräs 8. Muista, että hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely parantaa HAZ-vyöhykkeen sitkeyttä, mikäli ei ole sekundäärisen karkenemisen vaaraa 9. Muista, että pienempi hiilipitoisuus sallii suuremman mikroseostuksen 10. Korotettu Ni-pitoisuus vaikuttaa edullisesti ferriitin murtumiskäyttäytymiseen ja vain vähän karkenevuuteen 11. Älä käytä ylisuurta lämmöntuontia. Suurempi hitsausnopeus pienentää lämmöntuontia kaventaen samalla HAZ-vyöhykettä ja vaikuttaen edullisesti sitkeyteen 12. Vältä hyvin pientä lämmöntuontia ja pieniä palkoja railon reuna-alueilla, joissa voi olla seurauksena suuria kovuusarvoja ja alttiutta rakenteen väsymiseen 13. Varmista, että monipalkohitsauksessa palot menevät riittävästi limittäin ja, että palkojen välinen lämpötila pysyy hallinnassa 14. Käytä hitsausmenetelmää, jossa jälkimmäinen palko pienentää edellisen palon raekokoa 15. Noudata ohjeita perus- ja hitsausaineiden käsittelystä (puhtaus ja kosteus, erityisesti vety)

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41 Esikuumennuslämpötila Tarvittava esikuumennuslämpötila voidaan määrittää kaavasta: T = 697CET + 160tanh(d/35) + 62(HD)0,35 + (53CET-32) x Q 328 ( C) jossa CET = C + (Mn+Mo)/10 + (Cr+Cu)/20 + Ni/40 Esim. materiaalin L485MB analyysin pitoisuuksilla putkelle, jonka seinämän paksuus on 15 mm. Huom! ei yhdistetty aineenpaksuus! d = 15 mm putken seinämä HD = 15 cm3/100 g hitsin vetypitoisuus (cm3/100 g DM ISO 3690), emäspuikko Q = 1,0 kj/mm lämmöntuonti, saadaan T = 129 C valitaan esikuumennuslämpötila T > 125 C

42

43

44 Lujien terästen hitsaus

45 Mikä on luja teräs?

46 Ultralujien terästen historia

47

48

49

50

51 Kun teräkseltä vaaditaan samanaikaisesti suurta lujuutta ja hyvää iskusitkeyttä: NUORRUTUS Hehkutus (n. 900 C) + sammutus + päästö Seostus: Cr, Ni, Mo, V, B ongelmia hitsauksessa, karkenevuus Myötölujuus R eh N/mm² Yleisin lujuusluokka R > 690 N/mm² (S690, Optim 700, WELDOX 700, NAXTRA 70)

52 Lujien terästen edut Korkeammat suunnittelujännitykset ainevahvuudet pienemmiksi painon vähennys, suurempi hyötykuorma konstruktiot yksinkertaisemmiksi Hitsaustyön ja lisäaineen tarve pienenee Kulutuksen ja pintapaineen kestävyys kasvaa Valmistustekniikka helpottuu Materiaali- ja valmistuskustannukset alenevat Kuljetuskustannukset alenevat / hyötykuorma kasvaa (kuljetus- ja nostokalusto) Käyttöikä kasvaa

53 Lähtökohtia ultralujien terästen hitsaukselle Ultralujat teräkset ovat hyvin hitsattavia alhaisen hiilipitoisuutensa vuoksi Selvitettävä, miten lujuus on aikaansaatu? Kaikki perinteiset menetelmät soveltuvat näiden terästen hitsaukseen Laser- ja hybridihitsaus ovat pienen lämmöntuontinsa ansiosta erityisen käyttökelpoisia menetelmiä Erityistä huomiota on kiinnitettävä lämmöntuontiin ja t 8/5 aikaan Suuremmilla aineenpaksuuksilla tarvitaan esi- ja jälkilämmitystä

54 Lujien terästen hitsaus Kylmähalkeilun välttäminen lisäaineiden oikea käsittely lämmöntuonti Q min esikuumennus Liitoksen iskusitkeys lisäaineen / hitsausmenetelmän valinta lämmöntuonti Q max Lamellirepeämät / kuumahalkeamat liitosten suunnittelu hitsausarvot Hitsauksen käytännön suoritus palkomäärä, hitsausasento, levitys jne. Hitsauksen jälkeiset toimet väsymiskestävvyden parantaminen (laatuluokka B+) lämpökäsittelyt tarkastus

55 Lämmöntuonti Suositeltavat lämmöntuonnit suurlujuusteräksille 1,0 2,0 kj/mm Ultralujalle teräkselle OPTIM 960 QC Ruukki suosittelee lämmöntuontia 0,4 0,5 kj/mm Arvot riippuvat paljon hitsattavan aineen lisäksi railomuodosta, aineenpaksuudesta, lisäaineesta jne.

56 Lujien terästen kohdalla muistettava Lujuus R e Murtovenymä A 5 Iskusitkeys, esim. /-40 C Koostumus C ekv, CE, P cm Tila kuumavalssattu, TM, QT, Q, muu

57

58

59 Pehmeiden lisäaineiden edut Hyvä muodonmuutoskyky hitsiaine kykenee ottamaan turvallisesti vastaan syntyvät jännitykset ja muodonmuutokset Hitsausliitoksen pienempi jäännösjännitystila Hitsiaine ei altis karkenemiselle ja vetyhalkeamien synnylle Halvempia ja valikoimat laajempia Parempi riittoisuus, etenkin jauhekaarihitsauksessa

60 Valuterästen hitsaus

61 Valuterästen hitsaus Halkeiluherkkyyden ja muiden virheiden kannalta eli siis puhtaasti metallurgisesti ei valuteräksen hitsaus poikkea vastaavan koostumuksen omaavan valssatun teräksen hitsauksesta Saman koostumuksen omaavat valu- ja valssattu teräs ovat hitsattavuudeltaan periaatteessa samat Hitsauksessa on kuitenkin eräitä erityispiirteitä

62

63 Valuteräksessä voi olla valuvikoja Terästehtaassa valssattu levy tai profiili on läpikäynyt erittäin tarkasti kontrolloidun valmistusprosessin. Prosessiin kuuluva valssaus paitsi lujittaa metallia myös sulkee pienet huokoset. On mahdotonta tarkassakaan valimotyöskentelyssä saavuttaa samaa täydellistä laatua. Valukappaleiden monimutkaiset muodot aiheuttavat omat ongelmansa: syntyy huokosia, jännityksiä, koostumuseroja, jäähtymisnopeuseroja jne.

64 Täten valussa voi olla seosaineista ja epäpuhtauksista rikastuneita ja köyhtyneitä kohtia, huokosia, onkaloita ja jännityshuippuja. Valu vaatii tarkkaa laatukontrollia. Jos tarkalla työskentelyllä ja esim. huolellisella NDT -tarkastuksella varmistutaan, että valussa ei ole virheitä tai ne ovat sallituissa rajoissa, on valuteräs yhtä hyvin hitsattavissa kuin vastaava valssattu teräs.

65 Valuterästen metallurgiasta Valuterästen hitsauksen metallurgia (esim. kylmätai kuumahalkeilu, karkeneminen, martensiitin pääseminen, jännitystenpoistohehkutus, normalisointi tms.) vastaa valssattujen terästen metallurgiaa. Valuterästen epähomogeenisuudet, suotaumat ja virheet kuten imuontelot, huokoset, suurirakeiset alueet ja erilaiset pintavirheet saattavat vaikeuttaa valuterästen hitsausta.

66 Valujen korjaushitsaus: Pyöreät, riittävästi pinnan alla sijaitsevat huokoset voidaan joskus jättää korjaamatta, halkeamia ei koskaan. Valetussa kappaleessa voi olla korkeita jännityksiä, jotka keskittyvät yleensä mutkikkaiden muotojen (jyrkät kulmat, paksut ja ohuet kohdat lähekkäin yms.) kohdille. Jännityksenpoistohehkutuksen voi suorittaa hitaalla ja tasaisella kuumennuksella suoraan valulämpötilasta. Raekoko saattaa hehkutuksessa kasvaa, mikä yleensä on epätoivottavaa. Raekoon voi pienentää normalisoinnilla, joka vaatii erillisen kuumennuksen. Jännityksenpoistohehkutuksen voi korvata normalisoinnilla.

67 Valuteräs ei kärsi valuraudan perusongelmasta Verrattuna valurautaan valuteräksen hitsausmetallurgia ei kärsi valkoiseksi raudaksi tai hauraaksi martensiitiksi muuttumisen vaaroista, joten hitsattavuus on huomattavasti parempi kuin valuraudalla.

68 Valuterästen hitsattavuus Hyvä lopputulos edellyttää seuraavien vaikutusten huomioon ottamista: jähmettymis- ja jäähtymisjännitykset valuonkaloiden ja muiden valuvirheiden mahdollisuus valuun imeytynyt öljy tms. epäpuhtaudet valun epämääräiset muodot muutosvyöhykkeen mahdollinen karkeneminen mahdollisten epäpuhtauksien sekoittuminen hitsiaineeseen Valuteräksen hitsauksessa ei kannata eikä pidä noudattaa valurautojen hitsausohjeita!

69 Sitkeän hitsiaineen antavat lisäaineet Valuteräksellä jäännösjännitykset viimeksi jähmettyneessä kohdassa ovat helposti myötörajan luokkaa. Jotta jäännösjännitysten epäedulliset vaikutukset saadaan pieniksi, suositellaan usein matalalujuuksista lisäainetta (ns. aliluja lisäaine). Vaikeissa tapauksissa (vaikeat muodot, suuret sisäiset jännitykset, jotka johtavat jatkuviin hitsien halkeiluihin tai vetelyihin) voidaan joutua käyttämään hyvin sitkeitä erikoislisäaineita, useimmiten nikkelivaltaisia tai puhtaita nikkelilisäaineita tai hyvin niukkahiilisiä terästen lisäaineita.

70 Esikuumennus Materiaalin myötöraja pienenee lämpötilan noustessa. Jos hitsauksen kutistumisjännitykset voidaan ottaa vastaan korotetussa lämpötilassa, ovat jäännösjännitykset vähäisemmät. Oikein suoritettu esikuumennus on usein tehokkain tapa vähentää jännityksiä käytännössä. Oikein suoritettu tarkoittaa tasaista ja riittävän laajalle alueelle ulottuvaa kuumennusta. Esikuumennustarve valuteräksille määräytyy samoin periaattein kuin vastaavan koostumuksen, muodon ja jännitystilan omaavalle muokatulle teräkselle.

71 Kun hitsataan monimutkaisia teräsvaluja, joissa on suuria poikkipinta-alan muutoksia, yleinen esikuumennuslämpötila vaihtelee välillä C. Yläraja on huomattavasti korkeampi, kuin mihin on totuttu vedyn aiheuttaman kylmähalkeilun välttämisessä. Esikuumennus tehdään hitaasti, jotta saadaan aikaan tasainen lämpötilajakauma kappaleeseen. Koko kappaleen kuumentaminen tehdään mieluiten lämpökäsittelyuunissa tai vastusten avulla eristeeseen käärittynä. Mitä monimutkaisempi valu on, sitä tärkeämpi on tasaisesti jakautuneen esikuumennuksen käyttö.

72

73 Butterointi Railopintojen pinnoitushitsauksella eli butteroinnilla voi vähentää vaikeaa halkeilua halkeamaherkkien valuterästen hitsauksessa. Joustava välikerros vähentää jännityksiä. Useissa tapauksissa sopivan butterointilisäaineen löytäminen voi olla vaikeaa.

74

75 Kuumankestävien valuterästen hitsaus Lämpövoimaloissa tai vastaavissa laitoksissa on usein kuumankestäviä valettuja venttiilejä ym. osia. Varsinaisesti kuumankestävien terästen hitsauksessa ei juurikaan vaikuta, onko aine valettu vai muokattu.

76 Hilseilynkestävyyden perusta: Cr Hilseilynkestävyys korkeissa lämpötiloissa saadaan aikaan teräksessä/valuteräksessä kromilla (Cr). Näiden terästen muodonmuutoskyky kärsii, jos ne joutuvat pitemmäksi ajaksi C lämpötiloihin niistä tulee helposti hauraita. Kromi aiheuttaa sen, että korkeissa lämpötiloissa rakenteeseen tulee kovia ja hauraita faaseja: 475 C-hauraus ja sigmahauraus Joskus hitsauskin saattaa aiheuttaa samoja ongelmia.

77

78

79 Kuumalujuuden perusta: Mo, V, Nb Haurausongelmien (475 C- ja sigmahauraus) lisäksi kromi tekee rakenteen ferriittiseksi, ellei muihin toimenpiteisiin ryhdytä, esim. nikkeliä ei lisätä. Puhdas ferriittinen rakenne on taipuvainen rakeenkasvuun, joka myös johtaa haurauteen. Kromi ei juurikaan lisää virumislujuutta (=kuumalujuutta). Kun kromi aiheuttaa siis haurausilmiöitä, pelkkien kromiterästen käyttö rajoittuu hilseilynkestäviin kohteisiin ja kuumalujuus eli virumiskestävyys on saatava aikaan muilla keinoilla. Tärkeimmät kuumalujuutta lisäävät seosaineet ovat Mo, V ja Nb. Kuumalujissakin yleensä on kromia, mutta se on siis hilseilykestävyyden parantamiseksi.

80 Kuumalujien valuterästen temperbead hitsaus Kuumalujia teräksiä voidaan hitsata normaalisti yksi- tai monipalkohitsauksena, jota tavallisesti seuraa jännitystenpoistohehkutus. Seostetummat laadut vaativat monivaiheisen, hauraiden rakenteiden (mm. martensiitti ja sigmafaasi) välttämiseen tähtäävän lämpökäsittelyn. Sekä hitsauksessa että jälkilämpökäsittelyssä on alimmat ja ylimmät työlämpötilat ja jäähtymisnopeudet (joskus myös kuumennusnopeudet) hallittava tarkasti. Lämpökäsittelyprosessi on hankala ja kallis.

81 Butterointimenetelmästä on kehitetty ns. temperbead -menetelmä, jota käytetään kuumankestävien rakenteiden hitsaukseen ilman jälkilämpökäsittelyjä. Railopintojen pinnoitus tapahtuu sitkeällä pinnoitekerroksella. Se aiheuttaa perusaineeseen vähemmän jähmettymis- ja jäähtymisjännityksiä kuin liitoshitsaus tekisi. Hauraat vyöhykkeet hitsissä päästetään seuraavan palkokerroksen lämmöllä. Tämä tehdään tasaisella, melko pienillä palkokerroksilla. Hitsaus on tehtävä ilman keskeytyksiä. Menetelmä soveltuu korkeissa lämpötiloissa toimiville rakenteille.

82 Jälkilämpökäsittelyt Valuterästen lämpökäsittelyohjeet ovat pääpiirteittäin samat kuin vastaavalla muokatulla materiaalilla. Monimutkaisilla kappalegeometrioilla lämpötilan nosto- ja laskunopeuksiin on kiinnitettävä erityistä huomiota. Tavallisimmat jälkilämpökäsittelyt ovat jännityksenpoistohehkutus eli myöstö, (martensiitin) päästö ja normalisointi. Joskus joudutaan tekemään vedynpoistohehkutus. Herkistymisvaaraa pelättäessä voidaan ruostumattomille teräksille joutua tekemään liuotushehkutus.

83 Myöstö vähentää jännityksiä, päästö päästää karenneita martensiittialueita sekä pienentää muutosvyöhykkeen kovuushuippuja ja normalisointi muuttaa rakenteen halutuksi, tavallisesti hienorakeiseksi ferriittis-perliittiseksi tai ferriittis-perliittis-bainiittiseksi rakenteeksi. Teräksille, myös valuteräksille myöstö suoritetaan tavallisimmin C:n, päästö C:n ja normalisointi C:n lämpötiloissa. Vedynpoistohehkutus tehdään A 1 -Iämpötilan (eutektoidinen lämpötila 723 C, vaakasuora viiva Fe-C-tasapainopiirroksessa) alapuolella. Korkeinta lämpötilaa tavanomaisista lämpökäsittelyistä edellyttää austeniittisten ruostumattomien terästen liuotushehkutus, n C.

84 Valuvirheet Valuvirheet ovat etupäässä huokosia, onkaloita ja imuonteloita. Ne on ensin avattava ja puhdistettava liasta, kuten valuhiekasta yms. Lisäainevalinnan määrää pikemmin ulkonäkö ja korroosiovaatimukset kuin lujuus. Umpiaineen onkaloon hitsattuun lisäaineeseen muodostuu jännitystila, joka lujittaa hitsiä voimakkaasti. Todennäköisyys, että kappale repeäisi hitsistä hitsiaineen lujuuden puutteen vuoksi, on pieni. Suurempi vaara on hitsausjännitysten muutosvyöhykkeelle aiheuttamista halkeamista. Alilujan hitsiaineen käyttö voi olla hyvin perusteltua.

85 Esimerkki valuteräksisestä tuotteesta on puutavaranosturin rasitetuin osa: jalusta. Suurin osa nosturien valmistajista on aloittanut jalustan valmistuksen hitsaamalla sen useista levyosista, mutta monet johtavat yritykset ovat siirtyneet teräsvaluun. Sille on olemassa sekä tekniset että taloudelliset perustelut. Seuraavasta kuvasta näkyy, että teräsvaluosa on liitetty levypalkkiin hitsaamalla. Oikein valitun teräsvalun hitsaaminen on täysin mahdollista ja johtaa huolellisesti suunniteltuna ja toteutettuna korkealuokkaisiin tuotteisiin.

86

87 Valurautojen hitsaus

88 VALURAUDAT GJ-valurauta: suomugrafiittirauta (GJL, esim. GJL-250) pallografiittirauta (GJS, esim. GJS tai GRP 400) tylppägrafiittirauta (GRV) adusoitu temperrauta (GJM) valkoinen valurauta (GJN) erikoisvaluraudat, esim. austeniittisbainiittinen pallografiittirauta Kymenite

89 Hitsattavuus ja hitsaus Valkoinen valurauta ja runsaskromiset Ni-hardtyyppiset valuraudat ovat äärimmäisen hauraita ja yleensä säröilevät erittäin helposti hitsauksessa. Ne luokitellaan yleensä ei-hitsattaviksi valuraudoiksi. Hitsattavista laaduista hankalin hitsattava on suomugrafiittirauta eli "harmaarauta". Harmaarauta on luontaisesti haurasta ja se ei aina pysty vastaanottamaan ilman halkeilua ja säröilyä hitsauksen kutistumisjännityksiä.

90 Pallografiittiraudan hitsattavuus on parempi, koska sen sitkeys on terästen luokkaa. Siinäkin muutosvyöhykkeelle voi muodostua hauras vyöhyke, kuten harmaarautaan. Pallografiittivalu voi olla petollista sikäli, että sen voi saada ehjänä hitsaamosta ulos, mutta käytössä se voi olla varsin haurasta. Temperraudat ovat hitsattavuudessa samaa luokkaa kuin pallografiittirauta tai jopa parempia. Hitsattavuuden osalta temperrautoja on vaikea niputtaa yhteen, koska temper-käsittelyjä on hyvin erilaisia ja erot käsittelyssä vaikuttavat voimakkaasti hitsattavuuteen. Joka tapauksessa on suhtauduttava kriittisesti pallografiitti- ja temperrautaosien hitsaukseen samoin kuin tietysti harmaaraudan hitsaukseen.

91 Hitsauksen vaaranpaikat Valurautoja voidaan menestyksellisesti hitsata edellyttäen, että noudatetaan oikeita menettelytapoja. Hyvä lopputulos edellyttää seuraavien vaikutusten minimoimista: hauraan vyöhykkeen muodostuminen muutosvyöhykkeelle (ledeburiitti ja martensiitti) jähmettymis- ja jäähtymisjännitykset hiilen seostuminen perusaineesta hitsiaineeseen valurautaan imeytynyt öljy valun epämääräiset muodot

92 Hauraan vyöhykkeen muodostuminen muutosvyöhykkeelle Muutosvyöhykkeelle voi syntyä ledeburiittia, joka voi olla joko hyvin haurasta tai sanoinkuvaamattoman haurasta, kuin lasia. Hitsissä vaara viimemainittuun on suuri. Alue voi olla leveydeltään millimetrin osia, mutta senkin levyinen lasimainen vyöhyke voi revetä rasituksessa. On vain yksi täysin luotettava tapa välttää tämä vaara ja saada hitsin muutosvyöhyke vastaamaan perusainetta. Se on: hoitaa jäähtymisnopeus niin alhaiseksi, että jäähtymistapa on yhtä hidas kuin alkuperäisen valun jäähtyminen. Se onnistuu vain kontrolloidulla, erittäin korkealla esikuumennuksella.

93 Jäähtymisjännitykset Hitsiaine kutistuu jäähtymisen aikana. Valurauta, varsinkin suomugrafiittirauta, on haurasta verrattuna teräkseen. Muodonmuutoskyvyn puutteesta johtuen hitsauksen aiheuttamat jännitykset eivät pääse tasaantumaan hitsin ympärillä perusaineen myötämisen ansiosta. Säröjen välttämiseksi on kutistumisjännitykset saatava keskittymään hitsiaineeseen ja niitä on pyrittävä pienentämään eri keinoin. Jäähtymisen aikana syntyviä jännityksiä voidaan pienentää monella eri tavalla. Näistä tehokkain on oikein suoritettu esikuumennus.

94 Esikuumennuksen kaksi vaikutustapaa Esikuumennus pienentää jäähtymisnopeutta, mikä estää valkoisen valuraudan eli ledeburiitin syntymisen. Useissa tapauksissa tähän tarvittava esikuumennuslämpötila on luokkaa C. Materiaalin myötöraja pienenee ja kimmomoduli lisääntyy ( joustavuus kasvaa) lämpötilan noustessa. Jos hitsauksesta syntyvät kutistumisjännitykset syntyvät kappaleen ollessa korotetussa lämpötilassa, ovat jäännösjännitykset vähäisemmät. Esilämmitys vähentää myös jäähtymisjännityksiä.

95 Valuraudan kolme hitsaustapaa Kuumahitsaus C kuumahitsaus poistaa edellä mainitun muutosvyöhykkeen hauraan vyöhykkeen jähmettymisen kutistumisen aiheuttamat jännitykset Puolikuumahitsaus C Kylmähitsaus ja vasarointi C

96 Kuumahitsaus Kuumahitsauksessa pyritään hitsin jäähtyminen saamaan niin hitaaksi, että se vastaa valun jäähtymisnopeutta. Se edellyttää C esikuumennusta, jossa kappale on jo punahehkussa. Kuumahitsauksen soveltaminen on helpointa pienille valukappaleille. Suurtenkin kappaleiden kuumentaminen on mahdollista rakentamalla sen ympärille uuni lämmityseiementeistä. Hyvin hidas jäähtyminen hitsauksen jälkeen on välttämätöntä!

97 Lisäaineet kuumahitsaukseen Mikäli halutaan hitsausliitoksen olevan ominaisuuksiltaan täysin perusaineen kaltainen, hitsaus voidaan suorittaa silloin valurautaa olevalla puikolla. Valuraudan käyttö lisäaineena tuleekin sallia vain kuumahitsauksessa. Jos hitsin ulkonäkö, korroosio-ominaisuudet tai muut erityiset syyt eivät sitä nimenomaan vaadi, ei valurautapuikko ole välttämätön. Tavallinen niukkaseosteinen teräslisäaine sopii useisiin valurautoihin hyvin. Nikkelirauta- tai tinapronssilisäainetta voi suositella kuumahitsaukseen vain erikoistapauksissa.

98 Kuumahitsauksen soveltuvuus pallografiittiraudalle Kuumahitsausta sovelletaan eniten suomugrafiittiraudalle. Perliittisen pallografiittiraudan esikuumennuslämpötila ei saa nousta yli 350 C:n, jos halutaan matriisin säilyvän perliittisenä. Hehkutuksessa perliitti muuttuu helposti ferriitiksi ja grafiittipallojen koko kasvaa. Seurauksena on lujuuden aleneminen, mutta samalla muodonmuutoskyvyn paraneminen. Nämä muutokset on pantava toiseen vaakakuppiin, toiseen on pantava muutosvyöhykkeelle syntyvän lasimaisen hauraan vyöhykkeen riski.

99 Valkoisen valuraudan eli ledeburiitin muodostuminen ja siten hauraan vyöhykkeen synty edellyttää muutosvyöhykkeen ainakin osittaista sulamista. Tämä tapahtuu vain aivan sularajan välittömässä läheisyydessä.

100 Puolikuumahitsaus Puolikuumahitsausta käytetään ennen kaikkea pallografiittiraudan hitsaukseen ja oheiset suositukset koskevat erityisesti sitä. Esikuumennus pienentää jäähtymisnopeutta ja siten pienentää muutosvyöhykkeen kovuutta. Kovuuden pieneneminen on tosin vähäistä vielä 250 C:n esikuumennuksella.

101 Lisäaineiksi suosittellaan yleensä puolikuumahitsauksessa nikkelivaltaisia lisäaineita. Lisäksi toimenpiteet jännitysten vähentämiseksi ovat tärkeitä: palkojen välinen lämpötila pidetään min. 250 C:ssa hitsataan lyhyitä, max. 50 mm pitkiä palkoja ilman levitysliikettä taka-askelhitsausjärjestys on suositeltavaa kylmähitsaukseen nähden voidaan käyttää suurempaa virtaa, mutta edelleen puikonpaksuus ja hitsausvirta on syytä pitää kohtuullisina vasarointi tehdään kuten kylmähitsauksessakin hidastettu jäähtyminen on välttämätön

102 Kylmähitsaus Kylmähitsaus on nykyaikainen valuraudan hitsaustapa, joka edellyttää sitkeän (nikkelivaltaisen) lisäaineen käyttöä. Muutosvyöhykkeen kovuus riippuu jäähtymisnopeudesta. Ainoa tapa pienentää jäähtymisnopeutta on käyttää suurempaa lämmöntuontia. Tämä merkitsee samalla suurempaa hitsisulaa ja vastaavasti suuremmalle alalle muodostuvia jäännösjännityksiä. Tämä voi olla haitallisempaa kuin muutosvyöhykkeen suuri kovuus. Siksi ei pidä käyttää suurta lämmöntuontia. Sen sijaan muutosvyöhykkeen pitää olla niin kapea kuin mahdollista ja jännitykset pitää pyrkiä pitämään mahdollisimman pieninä erilaisin hitsausteknisin toimenpitein.

103 Kylmähitsauksessa - kuten puolikuumahitsauksessakin - ei ole suositeltavaa käyttää valuraudan koostumusta vastaavaa lisäainetta eli valurautaa, sillä hitsiaine voi jähmettyä nopean jäähtymisen takia hyvin kovana ja hauraana valkoisena valurautana. Myöskään seostamattoman teräksen lisäaineita ei suositella kylmähitsaukseen - suositellaan nikkelivaltaisia lisäaineita tai puhdasta nikkeliä. Kylmähitsauksessa on syytä toimia tarkasti seuraavien ohjeiden mukaan: Hitsaa lyhyitä palkoja levittämättä, esim mm pitkiä, noudattaen taka-askelhitsausjärjestystä Käytä ohuita puikkoja, esim. Ø 2,5 mm hitsaus tasavirralla - navassa seostaa vähemmän kuin +navassa, hitsauspalkojen välinen lämpötila pidetään alle 100 C Vasaroi pyöreäpäisellä vasaralla hitsiä, kun se on vielä kuuma Vasarointi suoritetaan pituussuuntaan lopetuskohdasta aloituskohtaan päin. Näin vältetään parhaiten vasaroinnin itsensä synnyttämät säröt

104 Vasarointi ja kylmähitsaus Mikäli hitsausta ei voida tai haluta tehdä korkeaa esilämmitystä käyttäen, voidaan kutistumisjännityksiä vähentää vasaroimalla. Vasaroinnissa palkoa isketään terävästi käsivasaralla tai paineilmavasaralla, kun palko on vielä kuumana. Tämä tuottaa pintaan puristusjännityksiä. Tämä rajoittaa myös hitsattavan pätkän pituutta, sillä pitkä palko jäähtyy alkupäästään niin paljon, että sen vasaroinnista ei ole enää vastaavaa hyötyä - siksi hitsaus tehdään lyhyinä pätkinä.

105 Nimitys "kylmähitsaus" on hieman harhaanjohtava, sillä kylmyys sinänsä ei tuo erityisempää etua tähän hitsaukseen. Nimitys on syntynyt erotukseksi "kuuma- ja "puolikuumahitsauksesta". On totta, että mitä vähemmän lämpöä tuodaan, sitä pienemmälle alalle muodostuvat jäähtymisjännitykset. Nämä jännitykset ovat kuitenkin sitäkin ärhäkkäämpiä ja voivat johtaa ankarasti kuormitetuissa kohdissa sijaitessaan murtumiin. Kuitenkin, hitsaamalla pieniä, kapeita ja lyhyitä palkoja ilman levitysliikettä pienellä virralla, on hyvät mahdollisuudet päästä korkealaatuiseen hitsiin. Asiaa auttaa vielä, jos lisäaine on riittävän sitkeä.

106

107 Nikkelipitoiset lisäaineet Sitkeän hitsiaineen antavat lisäaineet vähentävät jäännösjännityksiä. Jäännösjännitykset ovat aina myötörajan suuruusluokkaa. Jäännösjännityksiä voidaan pienentää matalan myötölujuuden omaavilla lisäaineilla, jollaisia ovat esim. nikkelilisäaineet. Käytännössä käytetään esim. runsaasti (50 60 %) nikkeliä sisältäviä puikkoja. Puhdasta nikkeliäkin käytetään, mutta sen hitsaus on kapeasta "puuroalueesta" johtuvan huonon juoksevuuden vuoksi hyvin vaikeaa.

108 Koska markkinoilla esiintyy erilaisia "ihmepuikkoja ja ihmelisäaineita", joita tarjotaan valuraudankin hitsaukseen, on syytä muistaa, että ei puhdas nikkeli, ei vasarointi eikä pieni lämmöntuonti poista ohutta haurasta vyöhykettä hitsin muutosvyöhykkeeltä. Sen kanssa on elettävä.

109

110 Hitsausjärjestys Hitsausjärjestyksellä voidaan vaikuttaa syntyviin jännityksiin. Taka-askelhitsauksella ei juurikaan voida vaikuttaa jännitysten suuruuteen, mutta sillä voidaan tasoittaa jännitykset pitkin hitsin pituutta. Viimeksi hitsattavaan kohtaan syntyy suurin jännityshuippu, joka on vetoa - ja siis vaarallista.

111

112

113 Hitsausohjeita valurautojen ja valukappaleiden hitsaukseen Puhdistus Kaikki hitsattavat pinnat on puhdistettava liasta, rasvasta, hehkutushilseestä ja muista epäpuhtauksista. Pintaan ulottuvat valuontelot saattavat aiheuttaa erityisiä ongelmia. Umpeenhitsauksessa on oltava huolellinen. Mikäli kappale on pitkään ollut kosketuksissa öljyn kanssa, hehkutetaan kappaletta ennen hitsausta useiden tuntien ajan C:ssa. Helpompi vaihtoehto on suorittaa railon valmistus talttauspuikolla, jolloin myös saadaan poltettua öljyä ja hiiltä pois. Kaaritalttaus on hitsauksen ja leikkauksen omainen menetelmä ja vaatii esikuumennuksen.

114 Valukappaleen huokosiin imeytynyt öljy Öljy imeytyy helposti grafiittiin ja mikrohuokosiin valuraudassa valukappaleen käytön aikana. Öljy höyrystyy hitsauksessa ja aiheuttaa huokosia hitsiin. Kun öljyä imeytyy syvälle valurautaan, on mahdotonta poistaa sitä pelkästään liuottimella, koska sen vaikutus ulottuu vain pinnalla olevaan öljyyn. Öljy voidaan polttaa pois kuumentamalla valukappaletta riittävän korkeassa lämpötilassa. Normaalitapauksissa vaadittava lämpötila on n C ja aika muutamia tunteja. Monissa tapauksissa tämä ei ole mahdollista, vaan hyvään tulokseen päästään myös talttaamalla railo talttauspuikolla. Talttauspuikko poistaa tehokkaasti ainetta ja samalla höyrystää imeytyneen öljyn valuraudan sisältä.

115

116 Railot Railokulmat pitää tehdä avarammiksi kuin teräksellä Kaikki terävät reunat on pyöristettävä lämpökeskittymien estämiseksi U-railo on suositeltavampi kuin V-railo. Tämä on myös syy talttauksen käytön suosimiselle railonvalmistuksessa Säröt pitää avata kokonaan ja juuripintaa on hyvä jättää 2-3 mm. Talttaus on paras keino säröjen ja onkaloiden poistamiseen.

117

118 Esikuumennustavat Tyydyttäviä tuloksia on vaikea saada aikaan ilman esikuumennusta: halkeamariski on olemassa etenkin paksujen ja monimutkaisten kappaleiden hitsauksissa. Tätä riskiä voidaan vähentää olennaisesti käyttämällä esikuumennusta. On olemassa kolme eri esikuumennusmenettelyä: 1. Paikallinen esikuumennus vähentää hitsin jäähtymisnopeutta. Sisältää vaaran, sillä liian paikallinen esikuumennus saattaa kasvattaa jännityksiä sen sijaan, että pienentäisi niitä. 2. Koko kappaleen esikuumennus vähentää sisäisiä jännityksiä ja pienentää hitsin jäähtymisnopeutta. Jos lämpötilaa nostetaan yli 450 C:n, paranee liitoksen sitkeys. Tämä vähentää myös muodonmuutoksia ja säröilyriskiä sekä samalla pienentää kovuutta hitsissä ja muutos vyöhykkeellä. On suositeltava tapa. 3. Apukuumennus auttaa joissain monimutkaisissa kappalemuodoissa vähentämään jännitystasoa kappaleessa. Pätee vain erityistapauksissa. Koko kappaleen esikuumennus vähentää jännityksiä vielä tehokkaammin.

119

120 Monimutkaiset muodot ja apukuumennus Valukappaleet suunnitellaan ja muotoillaan usein hyvin jäykiksi. Aineenpaksuus on harvoin yhtenäinen ja kappaleet ovat muodoltaan monimutkaisia. Siten valut eivät erityisen hyvin pysty vastaanottamaan paikallista kutistumista ja uusia säröjä syntyy helposti. Säröjen välttämiseksi valukappaleen muissa osissa kuin hitsin alueella on usein hyödyllistä venyttää ja pehmentää näitä osia esikuumentamalla. Tämän tyyppistä esikuumennusta kutsutaan apukuumennukseksi. Apukuumennusta käytettäessä on parempi lämmittää laajempi alue matalaan lämpötilaan kuin pieni alue korkeaan lämpötilaan. Hitsin esikuumennuksessa tarvitaan kuitenkin korkeaa lämpötilaa, kun halutaan pehmeä, hyvin koneistettava hitsausliitos, jonka muutosvyöhykkeellä ei ole haurasta aluetta.

121 Kun hitsataan monimutkaisia valuja, joissa on suuria poikkipinta-alan muutoksia, yleinen esikuumennuslämpötila on hieman punahehkulämpötilan alapuolella. Jos ei ole mahdollista lämmittää koko kappaletta tähän noin 600 C:n lämpötilaan, voidaan käyttää alempaa lämpötilaa koko kappaleelle ja korkeampaa paikallista esikuumennusta railoille. Tämän kuumennuksen on ulotuttava koko ainespaksuuden läpi ja n. 6 x ainespaksuus leveydelle. Esikuumennus tehdään hitaasti, jotta saadaan aikaan tasainen lämpötilajakautuma kappaleeseen. Koko kappaleen lämmittäminen 600 C:een tehdään mieluiten sopivassa lämpökäsittelyuunissa. Mitä monimutkaisempi valu on, sitä tärkeämpi on tasaisesti jakautuneen esikuumennuksen käyttö.

122 Voidaan erottaa kolme erilaista hitsaustapaa: Puskurointihitsaus ("butterointi") Yksipalkohitsaus Monipalkohitsaus

123 Railopintojen puskurointihitsaus (butterointi) Joskus on hyödyllistä pinnoittaa railopinnat ennen liitoshitsausta. Pinnoitus estää hauraiden rakenteiden syntymistä itse liitoshitsiin, esim. kun pinnoitetaan nikkelipohjaisella lisäaineella. Liitoshitsaus voidaan suorittaa samalla nikkelivaltaisella lisäaineena tai joskus myös seostamattomalla lisäaineella. Pinnoitus ohjaa myös hitsin jäähtymisjännityksiä sitkeään pinnoitekerrokseen hauraan muutosvyöhykkeen sijasta. Muutosvyöhykkeeseen kohdistuu jäännösjännityksiä, mutta ne ovat pienempiä jakaantuessaan laajemmalle alueelle ja toisaalta hauraat vyöhykkeet päästyvät, kun pinnoitekerroksen päälle hitsataan.

124 Isojen pintavirheiden korjauksessa, esim. alimittaan koneistuksissa, valuvirheissä tai vauriotapauksissa, voidaan valurauta pinnoittaa nikkelipohjaisilla lisäaineilla ja välittömästi suorittaa vasarointi. Jatkohitsaus voidaan tehdä nikkelivaltaisen hitsiaineen päälle ilman esilämmitystä ja vasarointia. Paikkaushitsauksessa voidaan syntynyt reikä pinnoittaa reunoilta ja tehdä teräksestä paikkalevy, joka hitsataan niihin kiinni.

125

126 Yksi- ja monipalkohitsaus Yksipalkohitseissä hitsiaine sekoittuu voimakkaasti valuraudan kanssa. Lisäksi muiden palkokerrosten lämpökäsittelyvaikutusta ei tapahdu. Yksipalkohitsaus vaatii siksi hyvin huolellisen suunnittelun ja suorituksen. Monipalkohitsissä ne kohdat, jotka tulevat kosketuksiin valuraudan kanssa, hitsataan yksipalko-ohjeita noudattaen. Viimeistä palkoa ei hitsata valuraudan päälle, vaan edellisen palon päälle. Paras tulos saavutetaan pinnoitustekniikalla.

127 Jälkilämpökäsittely Tavallisin jälkilämpökäsittely on jännityksenpoistohehkutus. Jälkihehkutus parantaa hitsin ominaisuuksia ja pienentää muutosvyöhykkeen kovuushuippuja. Kun halutaan parantaa liitoksen sitkeyttä, suoritetaan jälkihehkutus n. 900 C:n lämpötilassa. Hehkutusaika tässä lämpötilassa on aineenpaksuuden mukaan 1 h / 25 mm (tunti/tuuma) Lämpötilan nostonopeus saa olla enintään 50 C/h.

128 Jäähdytys Vähäisen lämpölaajenemisen takia (verrattuna hitsiaineisiin) ja monimuotoisen rakenteen takia, on hidas jäähdytys tärkeää valuraudan hitsauksessa. Hidas jäähdytys voi tapahtua uunin mukana tai peitettynä esim. vuorivillaan.

129 Muutosvyöhyke Muutosvyöhyke karkenee hitsauksessa valuraudan korkeasta hiilipitoisuudesta johtuen, mikäli jäähtymisnopeus on suuri. Verrattaessa hitsattaviin rakenneteräksiin hiilipitoisuus rajoitetaan niissä hyvän hitsattavuuden varmistamiseksi noin max 0,20 %. Hiilipitoisuus valuraudassa voi olla lähes kaksikymmenkertainen. Karkenemisen tuloksena hitsin viereen muutosvyöhykkeelle syntyy kova ja hauras vyöhyke, joka on herkkä halkeamaan ja aiheuttaa vaikeuksia mahdollisessa koneistuksessa hitsauksen jälkeen.

130 Kovuus muutosvyöhykkeellä riippuu pääasiassa jäähtymisnopeudesta ja sen leveys lämmöntuonnista. Sularajan lähellä oleva muutosvyöhyke sisältää osittain sulanutta materiaaiia. Sen mikrorakenne on hyvin monimutkainen ja se on kovin vyöhyke liitoksessa. Tämän vyöhykkeen laajuus ja kovuus riippuvat pääasiassa huippulämpötilasta, lämmöntuonnista ja jäähtymisnopeudesta hitsauksessa. Koska huippulämpötila on puikkohitsauksessa likipitäen sama riippumatta lisäainevalinnasta, vyöhykkeen ominaisuudet riippuvat pääasiassa lämmöntuonnista ja jäähtymisnopeudesta.

131 Muutosvyöhykkeen kovuutta voidaan alentaa käyttämällä esikuumennusta. Jotta saadaan huomattava kovuuden aleneminen, pitää kuitenkin käyttää korkeita, lähes 500 C:n lämpötiloja. Ajatus, että muutosvyöhykkeen kovuutta voidaan pienentää käyttämällä pientä hitsausvirtaa, on virheellinen. Kovuus kasvaa lämmöntuonnin aletessa - tosin, mitä kylmemmin hitsaus suoritetaan, sitä kapeampi on kova vyöhyke.

132

133

134 Hiilen sekoittuminen valuraudasta hitsiaineeseen Hiiltä sekoittuu aina hitsiin, koska perusainetta sulaa hitsauksessa ja perusainetta sekoittuu hitsiin. Rikin ja fosforin pitoisuudet nousevat myös, jos valuraudassa niitä on runsaasti. Hitsiaineen halkeilutaipumus kasvaa huomattavasti, ellei tehdä mitään em. ilmiöiden eliminoimiseksi.

135 Periaatteessa on kaksi tapaa vähentää sekoittumisen vaikutuksia: 1. Käytetään korkeaa esikuumennuslämpötilaa ja hidastetaan jäähtymistä. Tämä tapa on erityisesti hyödyllinen hitsattaessa rautapohjaisilla lisäaineilla. 2. Käytetään lisäaineita, joissa hiilen sekoittuminen ei ole haitallista. Tämä on tavallisin keino ja tällöin lisäaineet ovat nikkelivaltaisia seoksia. Hiili erkautuu hienojakoisen grafiitin muodossa hitsiaineeseen.

136

137 Valuraudan korjaushitsaus Korjaushitsaus eroaa uusvalmistushitsauksesta hyvin vähän. Kaksi tekijää on usein kuitenkin otettava erityisen tarkasti huomioon korjaushitsauksessa: jännitykset puhtaus Korjattava kappale on yleensä aina "valmis" ja monimuotoinen. Korjaushitsit tulevat usein jäykkiin kohtiin, jotka eivät pääse joustamaan senkään vertaa kuin hitsit uusvalmistuksessa.

138 Käytön aikana kappaleet usein likaantuvat ja valuraudan suhteen tämä on erittäin merkittävä tekijä. Suomugrafiittirauta on tässä suhteessa kaikkein arin öljylle ym. nestemäisille epäpuhtauksille siksi, että grafiittisuomut ovat huokoisia ja esim. öljy imeytyy niihin helposti. Kun halkeamat yleensä seuraavat suomuja, avautuvat suomut tavallisesti halkeaman pintaan, jolloin halkeama imee öljyä kuin pesusieni, jos öljyä ympäristössä on. Pallografiitti- ja adusoiduissa raudoissa ongelma ei ole aivan niin korostunut, mutta pallonkin muotoinen grafiitti käyttäytyy samansuuntaisesti.

139 Valuvirheet Valuvirheet ovat etupäässä onkaloita ja imuonteloita. Ne on ensi avattava ja pudistettava liasta, kuten valuhiekasta yms. Nämä epäpuhtaudet eivät kuitenkaan välttämättä imeydy samoin kuin öljy. Täyttöhitsaukseen suositellaan nikkeli- tai nikkeli-rautalisäaineita. Tämä on oikea valinta, jos on käytetään puolikuumahitsausta tai kylmähitsausta + vasarointia. Vaativien valujen korjauksessa olisi paras tilanne, jos virheet voitaisiin havaita ja korjata jo valun jäähdyttyä n. 650 C tai ehkä hieman sen alle. Tällöin korjaus on suoritettavissa kuumahitsauksena. Kuumahitsaus on ainoa tapa, jolla hitsin muutosvyöhykkeen kaikki osat - siis myös se erittäin kapea sulanut ja osittain sulanut vyöhyke - jähmettyvät ilman haurauden vaaraa.

140 Korjaushitsausesimerkki Halkeamien ja murtumien korjaus Ensiksi määritellään särön pituus tarkkaan. Turvallinen tapa on avata särön pituussuunnassa enemmän kuin on todellisuudessa tarpeen, jotta varmistutaan koko särön poistumisesta. Käytännössä varmistetaan särön pysähtyminen poraamalla sen päihin n. 3 mm:n reiät. Jos talttaus ja hitsaus eivät tuota liikaa ylimääräistä työtä, on suositeltavaa avata särön toinen pää reunaan saakka ja hitsata keskeltä reunaan päin. Hitsauksen aloituksen ja järjestyksen on edullista olla sellainen, että muodonmuutoksia pystyy tapahtumaan mahdollisimman pitkään.

141

142

143 Vahvikkeet Rasituksessa murtuman syy on usein kuormituksen äkillisessä lisäyksessä ja korjauksenkin on pystyttävä ottamaan vastaan nämä lisäkuormitukset. Tähän voidaan käyttää mekaanisia vahvikkeita, esim. ympäri sidottavia vanteita, jotka ottavat vastaan vetojännityksiä. Yksi keino on käyttää ruuveja, jotka ruuvataan valurautaan tehtyyn kierrereikään. Esimerkiksi hammaspyörän hampaan lujituksessa on käytetty ruuvitappeja onnistuneesti. Vahvikkeita käytettäessä on muistettava, että hitsin ja vahvikkeen lujuudet eivät välttämättä summaudu toisiinsa. Liitos on yleensä yhtä vahva kuin sen heikoin kohta. Joskus vahvikkeita on kuitenkin käytännön syistä käytettävä.

144

145 Ohuet aineenpaksuudet kylmähitsauksessa + vasaroinnissa Ohuita paksuuksia joudutaan hitsaamaan esim. moottorilohkoissa ja pumpun osissa. Suurin ongelma on liian suuri hitsiainemäärä, koska se lisää kutistumisjännityksiä. Puikkohitsauksessa syntyy helposti turhan paljon hitsiainetta. Eräs keino on hitsata ylhäältä alas Ni-valtaisella asentopuikolla, jolloin saadaan pienempi hitsipalko. Vasarointi on myös suoritettava varoen, ettei aiheuteta lisää säröjä. Paras tapa on vasaroida viistossa kulmassa palon pintaan nähden eikä kohti suoraan sitä vasten. Tässäkin on muistettava, että kylmyys sinänsä ei ole edullista, vaan kaikki mahdollinen esilämmitys on avuksi. Jos on mahdotonta, palon pituus on pidettävä lyhyenä ja vasarointi on tehtävä välittömästi kaaren sammuttamisen jälkeen. Tämä siksi, että vasarointi ehtisi vaikuttaa alkaen ajasta, kun rauta on vielä kuumaa ja pehmeää. Jos kutistuminen on jo ehtinyt aiheuttaa halkeamia, on vasarointi myöhäistä. Kylmäksi päässeen kohdan vasarointi on turhaa riippumatta onko siinä näkyvissä halkeamia tai ei.

146 Lisäaineet Seuraavassa on lueteltu Oy Esabin tuoteohjelmassa olevia lisäaineita valuraudan hitsaukseen. On huomattava, että muilla toimittajilla löytyy vastaavia ja muitakin lisäaineita, joten nämä on käsitettävä vain esimerkeiksi: OK Selectrode Talttaus- ja leikkauspuikko Vikakohtien ja halkeamien avaukseen ja railon valmistamiseen OK Selectrode Nikkelipuikko (Ni>92%) Yleispuikko suomu- ja pallografiittiraudan kylmä- ja puolikuumahitsaukseen. Välikerroshitsiaine pinnoitushitsin alle OK Selectrode Nikkelirautapuikko (FeNi51), Yleispuikko suomu- ja pallografiittiraudan kylmä- ja puolikuumahitsaukseen Hitsiaineen lujuus on suurempi kuin OK Selectrode 92.18:lla ja soveltuu paremmin lujempien valurautalaatujen hitsaukseen

147 OK Selectrode Tinapronssipuikko Palaneen ja korkearikkisen valuraudan hitsaukseen Puikko soveltuu myös kuumahitsaukseen OK Selectrode Valurautapuikko Valuraudan kuumahitsaukseen tarkoitettu puikko Valurautatyyppinen hitsiaine OK Autrod Nikkelilanka Yleislanka suomu- ja pallografiittiraudan kylmä- ja puolikuumahitsaukseen. Välikerroshitsiaine pinnoitushitsin alle OK Tubrodur Nikkelirautatäytelanka (FeNi51) Yleislanka valuraudan kylmä- ja puolikuumahitsaukseen Erityisesti tehokkaaseen ja suurta tuottoa vaativaan hitsaukseen OK Autrod Alumiinipronssilanka Valuraudan pinnoitus korroosio- ja liukupintojen valmistamiseen

148

149 Runsasseosteiset teräkset Ruostumattomat ja haponkestävät teräkset Kirkkaat teräkset

150 Runsasseosteiset teräkset Kirkkaat teräkset (ruostumattomat ja haponkestävät) austeniittiset ruostumattomat teräkset, esim. AISI 304 ja AISI 304L austeniittiset haponkestävät teräkset, esim. AISI 316, AISI 316L ja AISI 316Ti (X10CrNiMoTi18-10) superausteniittiset haponkestävät, esim. AISI 904L, 254SMO, 654SMO ja Sanicro duplex-teräkset, esim. SAF 2205, SAF 2507, UR45N, Avesta 2205 ja LDX 2101 ferriittiset ruostumattomat teräkset, esim. ASTM 430 (EN ) martensiittiset ruostumattomat teräkset niukkahiiliset C<0,15%, esim. X11CrMoWVNb9-1-1 keskihiiliset 0,15%<C<0,5%, esim. X20CrMoV12-1 runsashiiliset C>0,6% tulenkestävät austeniittiset (esim. 253 MA) ja ferriittiset teräkset (Cr) kuumalujat runsasseosteiset teräkset (Mo) SEKALIITOKSET, esim. musta S235 kirkas AISI 304L

151 Fe-Cr-Ni tasapainopiirroksen leikkaus: kolme faasia L+

152 Runsasseosteiset teräkset ja niiden hitsattavuus Austeniittiset ( ) ruostumattomat teräkset ovat pääsääntöisesti hyvin hitsattavia. Hitsattavuusongelmat liittyvät yleisimmin hitsien kuumahalkeiluun ja korroosionkestävyyteen. Martensiittiset ( ) ruostumattomat teräkset ovat vaativia hitsattavuudeltaan. Keskeisin ongelma on kylmähalkeilu. Uudemmat hiukkahiiliset laadut ovat vähemmän ongelmallisia. Ferriittiset ( ) ruostumattomat teräkset ovat vaikeita hitsata. Ongelmana ovat haurausilmiöt, mm. rakeenkasvu, 475 C-hauraus ja sigmahauraus. Duplex-teräkset ( ) ovat selvästi paremmin hitsattavia kuin martensiittiset ja ferriittiset teräkset, mutta huonompia kuin austeniittiset teräkset. Ongelmia ovat haurausilmiöt ja korroosionkestävyys.

153

154

155 Korroosiolajit Yleiskorroosio passiivikalvo on tuhoutunut tasaisesti laajalta alueelta kun yleiskorroosio on pienempi kuin 0,1 mm/vuosi ruostumaton teräs Galvaaninen korroosio kaksi sähkökemiallisesti toisistaan poikkeavaa metallia koskettaa toisiaan sopivassa elektrolyytissä, sähkökemiallinen jännitesarja Pistekorroosio paikallinen, pistemäinen passiivikalvon rikkoutuminen, esim. kloridiympäristö suotautuminen Rakokorroosio muistuttaa pistekorroosiota, mutta kehittyy ahtaissa paikoissa happi puuttuu Jännityskorroosio korroosio-olosuhde ja samanaikaisesti vetojännitys, esim. hitsauksen aiheuttama Korroosioväsyminen korroosio-olosuhde ja samanaikaisesti väsyttävä kuormitus Raejakorroosio herkistyminen, kromiköyhät alueet raerajojen vieressä veitsenviiltokorroosio (stabiloidut laadut)

156 Austeniittiset ruostumattomat teräkset Jähmettymisjärjestys A: sula jähmettyy täysin austeniittisena ja mikrorakenne pysyy täysin austeniittisena huoneenlämpötilaan saakka. AF: sulan jähmettyminen alkaa ja etenee austeniittisena, mutta dendriittien välissä olevasta loppusulasta muodostuu ferriittiä, jonka pitoisuus huoneenlämpötilassa jää pieneksi, alle 5 %. FAF: jähmettyminen alkaa ferriittinä ja jatkuu austeniittisena. Jähmettymisen loppuvaiheessa suotautuminen tuottaa jäännössulaan uudelleen -ferriittiä. FA: jähmettyminen alkaa ja etenee pääosin ferriittinä ja austeniittia muodostuu loppusulaan ja sen muodostus jatkuu kiinteässä tilassa. Huoneenlämpötilassa ferriittiä hitsissä on 2-15 %. F: sula jähmettyy kokonaan ferriittinä. Rakenteeseen syntyy austeniittia vasta kiinteässä tilassa. Huoneenlämpötilassa ferriitin määrä on yleensä yli 15 %. Jähmettymisjärjestys määräytyy koostumuksen ja jähmettymisolosuhteiden (jähmettymisnopeus) mukaan.

157 Jähmettymisjärjestykset

158

159

160 Hitsisulan koostumus ja jossakin määrin hitsi jähmettymisnopeus vaikuttavat seuraavasti: Hammar-Svenssonin parametri Cr eq /Ni eq Kun Cr eq /Ni eq ylittää arvon noin 1.5, muuttuu jähmettyminen AF:stä FA(F):ksi Kun Cr eq /Ni eq ylittää arvon 2, muuttuu jähmettyminen FA:sta F:ksi Kun jähmettymisnopeus kasvaa selvästi (esim. nopea laserhitsaus), muuttuu jähmettyminen austeniittisempaan suuntaan

161 MIKROSUOTAUTUMINEN Jähmettymisen edetessä seosaineet jakautuvat sulan ja kiinteän faasin välillä Useimmat seosaineet suotautuvat kohti dendriittien välejä, mutta eri voimakkuuksilla Suotautumisprofiili riippuu jähmettymisjärjestyksestä Jähmettymisen jälkeen myös kiinteässä tilassa tapahtuu seosaineiden jakautumista Cr-, Mo- ja Si pitoisuudet ovat korkeampia ferriitissä Ni-, Mn- ja N-pitoisuudet ovat korkeampia austeniitissa Suotautumisen vaikutukset Kuumahalkeiluvaara kasvaa, mikä johtuu epäpuhtauksien (S, P) ja seosaineiden (Si, Ti, Nb) suotautumisesta loppusulaan ja raerajoille Hitsiaineen korroosionkestävyys heikkenee paikallisesti (pistekorroosiokestävyys), mikä johtuu siitä, että dendriittien väliin jää nimelliskoostumusta vähemmän Cr ja Mo Sigmahaurastumisessa dendriittien rajoilla Cr- ja Mopitoisuudet ovat nimelliskoostumusta korkeammat

162 Austeniittisten ruostumattomien terästen herkistyminen ja raerajakorroosio Voi tulla ongelmaksi HAZ:issa, kun terästä hehkutetaan C lämpökäsittelyjen yhteydessä monipalkohitsauksessa hitsattaessa suurella lämmöntuonnilla Cr ja C muodostavat raerajakarbideja, jotka alentavat Cr:n määrän raerajojen läheisyydessä liian alhaiseksi (<12%Cr). Tämä johtaa raerajakorroosioon. Herkistymistä voidaan estää käyttämällä matalahiilisiä teräksiä: C %, ns. L-laadut käyttämällä Ti- tai Nb-stabiloituja teräksiä, joissa hiili on sidottu Ti- tai Nb-karbideiksi Rakenne voidaan tasoittaa liuotushehkutuksella, noin C

163

164 Veitsenviiltokorroosio stabiloiduilla teräksillä Stabiloiduilla laaduilla voi esiintyä ns. veitsenviiltokorroosio, missä Ti- ja Nb-karbidit liukenevat HAZ:issa korkeammassa lämpötilassa kuin Cr-karbidit eli lähempänä sularajaa. Tällöin Ti- ja Nb-karbidien sitoma hiili vapautuu muodostamaan jäähtymisen yhteydessä Crkarbidia. Stabiloitu teräs herkistyy siten kapealta vyöhykkeeltä aivan sularajan vierestä.

165 Veitsenviiltokorroosio

166 Seosaineiden suotautuminen/hitsiaineen korroosionkestävyys Kromin ja molybdeenin suotautuminen Kriittinen pistekorroosiolämpötila (CPT) korreloi kloridiympäristössä esim. parametrin PRE (Pitting Resistance Equivalent) kanssa. PRE = %Cr+3,3x%Mo+16x%N Mo suotautuu erittäin voimakkaasti lämmöntuontia on rajoitettava (<1,5-2 kj/mm), on vältettävä levitysliikettä ja on valittava yhtä astetta seostetumpi lisäaine, erityisesti Mo suhteen AISI304L AISI316L(2,5Mo) AISI904L(4,5Mo) 254SMO(6,5Mo) 654SMO(9Mo)???

167 Molybdeenin minimi- ja maksimipitoisuuksia lämpökäsittelemättömässä hitsissä (mitattu SEM/EDS-analysaattorilla)

168 Duplex-terästen hitsattavuus Tavoitteena yhdistää austeniittisten ruostumattomien terästen ja ferriittisten ruostumattomien terästen hyviä ominaisuuksia. Ferriitti-austeniitti tasapaino tärkeää: yleensä tavoitteena. Uusissa laaduissa nikkeliä on korvattu mangaanilla, esim. LDX2101. Hitsattavuus lähellä tavanomaisia austeniittisia ruostumattomia teräksiä. Hieman huonompia. Suuri lämmöntuonti (yläraja 2 kj/mm) johtaa austeniitin määrän lisääntymiseen, pieni lämmöntuonti ferriitin määrän lisääntymiseen. Lämmöntuontirajat melko tiukat. Lisäaineet ovat perusainetta vastaavia tai hieman enemmän nikkeliä sisältäviä.