Tandem-MAG-hitsaus vaaka-asennossa

Transkriptio

1 Teknillinen tiedekunta LUT Metalli BK10A0400 Kandidaatintyö ja seminaari Tandem-MAG-hitsaus vaaka-asennossa Tandem-MAG-Welding in Horizontal Position Lappeenrannassa Jari Tervolin

2 TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta LUT Metalli Tekijä: Tervolin, Jari Juhani Työ: Tandem-MAG-hitsaus vaaka-asennossa Tandem-MAG-Welding in Horizontal Position Kandidaatintyö 72 sivua, 49 kuvaa, 16 taulukkoa, 7 liitettä Tarkastaja: Professori Jukka Martikainen (LTY) Ohjaaja: DI Esa Hiltunen (LTY) Aika: Hakusanat: Tandem-MAG, Tandem-MIG/MAG, kaksilankahitsaus, kaksoislankahitsaus, tandem-gmaw Kandidaatintyön tarkoituksena oli tutkia tandem-mag-hitsauksen soveltuvuutta tuotteen X hitsaamiseen vaaka-asennossa. Työssä selvitettiin tuotteen X hitsaukseen optimaaliset hitsausparametrit sekä varmistettiin hitsin laatu ja luotettavuus. Päätavoite oli saavuttaa mahdollisimman suuri hitsausnopeus, varmistaa hitsin juuren puolen luotettava sulaminen ja saavuttaa mahdollisimman roiskeeton hitsi. Lisäksi tutkittiin alustavasti laserleikattujen railojen pinnanlaadun ja leikkauskaasun vaikutusta tandem-mag-hitsauksessa, ilmaraon vaikutusta tandem-mag-hitsauksessa sekä MAG-siltahitsien sulamista juuren puolelta. Koehitsausten pohjalta laadittiin alustava hitsausohje (pwps). Koehitsaukset tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston hitsaustekniikan laboratoriossa.

3 SISÄLLYSLUETTELO KÄYTETYT LYHENTEET JA MERKINNÄT 1 JOHDANTO Työn tausta ja rajaus Työn rakenne MIG/MAG-HITSAUS MONILANKAHITSAUS TWIN-MAG-HITSAUS TANDEM-MAG-HITSAUS Periaate ja laitteisto Kaarityypit tandem-mag-hitsauksessa Hitsausasennot ja liitosmuodot Railot Poltinkulmat Lisäainelangat ja niiden käyttö tandem-mag-hitsauksessa Suojakaasut tandem-mag-hitsauksessa Tandem-MAG-hitsaus verrattuna yksilankahitsaukseen Tandem-MAG-hitsauksen käyttökohteet MAGNEETTINEN PUHALLUS Magneettisen puhalluksen periaate Magneettinen puhallus tandem-hitsauksessa MUODONMUUTOKSET HITSAUKSESSA Poikittaiskutistuma Kiertymä Kulmavetäytymä Pituuskutistuma Kaareutuminen Lommoutuminen Yleiset muodonmuutosten ehkäisykeinot...28

4 8 LUJIEN TERÄSTEN HITSAUS Lujien terästen hitsaukseen liittyvät ongelmat DOMEX 700 MC -teräksen ominaisuuksia Kemiallinen koostumus ja mekaaniset ominaisuudet Hitsattavuus WELDOX 700 -teräksen ominaisuuksia Kemiallinen koostumus ja mekaaniset ominaisuudet Hitsattavuus OPTIM 700 MC -teräksen ominaisuuksia Kemiallinen koostumus ja mekaaniset ominaisuudet Hitsattavuus Yhteenveto ja lujien terästen hitsattavuuden vertailu Kovuusmittaus ja kovuusjakauman vaikutus hitsin lujuuteen TUTKIMUSSUUNNITELMA Perusaineet ja hitsausaineet Hitsauslaitteisto Koehitsauksissa tutkittuja asioita KOEHITSAUSTEN VAIHEET Parametrien alkukartoistus päällehitsaamalla Ensimmäiset koehitsaukset puoli-v-railoon Parametrien hienosäätöä ennen laserleikattujen levyjen koehitsauksia Ilmaraon vaikutus hitsauksessa MAG-siltahitsien tutkiminen Koehitsaukset laserleikatulle DOMEX 700 MC -teräkselle TUTKIMUSTULOKSET Alustava hitsausohje (pwps) Makrohietutkimus Kovuuskoe ja kovuusjakauma Vetokoe Taivutuskoe...67

5 12 TULOSTEN ANALYSOINTI JA JOHTOPÄÄTÖKSET JATKOTUTKIMUSEHDOTUKSIA YHTEENVETO...71 LÄHDELUETTELO LIITELUETTELO

6 KÄYTETYT LYHENTEET JA MERKINNÄT A Murtovenymä A Ampeeri, sähkövirran yksikkö AC Alternating Current eli vaihtovirta Al Alumiiini Ar Argon B Boori C Hiili CEV Hiiliekvivalentti, jolla arvioidaan kylmähalkeilualttiutta CO 2 Hiilidioksidi Cr Kromi Cu Kupari DC Direct current eli tasavirta H5 Vetyluokka H5, jossa vetypitoisuus tulee olla alle 5ml/100g HV Vickers-kovuus Hz Hertsi, taajuuden yksikkö MAG Metel Active Gas welding MC M tarkoittaa teräksen termomekaanista valssausta, C tarkoittaa kylmämuovattavaksi soveltuvaa MIG Metal Inert Gas welding Mn Mangaani Mo Molybdeeni MPa Lujuuden yksikkö (MPa = N/mm 2 ) N Typpi Nb Niobium Ni Nikkeli P Fosfori pwps Alustava hitsausohje Rm S Murtolujuus Rikki

7 Si t 8/5 TANDEM Ti TimeTwin TWIN V Pii Hitsin jäähtymiseen kulunut aika lämpötilavälillä C. Kaksilankahitsaus Titaani Fronius käyttää TimeTwin -nimeä, tarkoittaen sillä samaa kuin tandem. Kaksoislankahitsaus Vanadiini

8 1 JOHDANTO Perinteistä MIG/MAG-hitsausta yhdellä lisäainelangalla voidaan tehostaa esimerkiksi monilankatekniikoilla. Käyttämällä kahta lisäainelankaa yhden lisäainelangan sijasta, voidaan hitsiaineentuottoa ja hitsausnopeutta kasvattaa merkittävästi. Monilankahitsausprosesseja ovat MIG/MAG-hitsauksessa kaksoislankahitsaus (Twin) ja kaksilankahitsaus (Tandem). Lujien rakenneterästen avulla ajoneuvojen ja nostolaitteiden hyötykuormaa ja suorituskykyä voidaan parantaa. Lujien rakenneterästen hitsattavuus saadaan hyväksi esimerkiksi termomekaanisen käsittelyn ansiosta ja sopivilla seosainevalinnoilla. Lujien rakenneterästen hitsaukseen liittyy kuitenkin halkeilu- ja sitkeysongelmia, jotka tulee huomioida hitsauksessa. Keskeisin hitsattavuutta rajoittava tekijä on niiden taipumus vety- eli kylmähalkeiluun. 1.1 Työn tausta ja rajaus Tämä kandidaatintyö on tehty yritykselle X. Työn tarkoituksena oli tutkia tandem-maghitsauksen soveltuvuutta tuotteen X hitsaamiseen vaaka-asennossa. Työssä selvitettiin tuotteen X hitsaukseen optimaaliset hitsausparametrit, sekä varmistettiin hitsin laatu ja luotettavuus. Päätavoite oli saavuttaa mahdollisimman suuri hitsausnopeus, varmistaa hitsin juuren puolen luotettava sulaminen ja saavuttaa mahdollisimman roiskeeton hitsi. Lisäksi tutkittiin alustavasti laserleikattujen railojen pinnanlaadun ja leikkauskaasun vaikutusta tandem-maghitsauksessa, ilmaraon vaikutusta tandem-mag-hitsauksessa sekä MAG-siltahitsien sulamista juuren puolelta. Koehitsausten pohjalta laadittiin alustava hitsausohje (pwps). Koehitsaukset tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston hitsaustekniikan laboratoriossa tandem-maghitsauslaitteistolla. Tandem-MAG-hitsauksen avulla pyrittiin nostamaan tuotteen X hitsausnopeudeksi yli 1 m/min. Koehitsauksissa tuli kiinnittää huomiota roiskeettomuuteen, muodonmuutosten minimointiin ja magneettisen puhalluksen aiheuttamiin häiriötekijöihin hitsauksen aikana. Hitsille tehtiin lopuksi kovuuskoe, taivutuskoe, vetokoe sekä makrohietutkimus, jotta hitsin laatu voitiin varmentaa. 1

9 1.2 Työn rakenne Teoriaosuuden alussa käsitellään lyhyesti MIG/MAG-hitsauksen perusteita. Tämän jälkeen esitetetään monilankatekniikat MIG/MAG-hitsauksessa. Koehitsaukset tehtiin tandem-maghitsauslaitteistolla, joten teoriassa syvennytään yksityiskohtaisesti tandem-mag-hitsaukseen. Tandem-MAG-hitsauksessa magneettinen puhallus voi olla merkittävä häiriötekijä hitsauksen aikana, koska käytetään suuria hitsausvirtoja, joten magneettinen puhallus käsitellään teoriaosuudessa. Tuotteen X hitsauksessa on erittäin tärkeää, ettei hitsaus vaikuta tuotteen suoruuteen. Hitsauksen aiheuttamat muodonmuutokset voivat olla merkittävä häiriötekijä suoruuden suhteen. Työn teoriaosuudessa esitetään muodonmuutosten lajit ja keinoja muodonmuutosten välttämiseen. Koehitsauksissa ei voitu mitata kiinnittimissä tarvittavia pidätysvoimia muodonmuutosten minimoimiseksi, joten muodonmuutokset käsitellään vain teoriaosuudessa. Lujien terästen hitsauksessa huomioitavat asiat käsitellään teorian loppuosassa. Lisäksi vertaillaan DOMEX 700 MC -, Weldox ja Optim 700 MC -teräksen hitsattavuutta. 2 MIG/MAG-HITSAUS MIG/MAG-hitsauksessa eli metallikaasukaarihitsauksessa valokaari palaa lisäainelangan ja työkappaleen välissä (Kuva 1). Suojakaasun tehtävänä on suojata valokaarta ja hitsisulaa ympäröivältä ilmalta. Hitsausvirta johdetaan virtalähteestä, monitoimijohdossa kulkevaa virtajohdinta pitkin koskutussuuttimeen, josta se siirtyy lisäainelankaan. Langansyöttölaite syöttää lisäainelankaa tasaisella nopeudella hitsauspistoolin lävitse valokaareen. Sula metalli siirtyy pieninä pisaroina lisäainelangan kärjestä hitsisulaan. Valokaari syttyy, kun lisäainelanka koskettaa työkappaletta. Kosketushetkellä syntyy oikosulku, jolloin oikosulkuvirta sulattaa ja höyrystää lisäainelangan pään, minkä ansiosta valokaari syttyy. (Lukkari 2002, 159.) 2

10 Kuva 1. MIG/MAG-hitsauksen periaate (Lukkari 2002, 159). Metallikaasukaarihitsauksesta käytetään yhteisnimitystä MIG/MAG-hitsaus. Prosessien tarkemmat nimet määräytyvät eurooppalaisten hitsausstandardien mukaisesti suojakaasun perusteella. Kun käytetään aktiivista suojakaasua, käytetään nimitystä MAG-hitsaus. Aktiivinen suojakaasu on yleensä argonin ja hiilidioksidin kaasuseos argonin ja hapen kaasuseos argonin, hapen ja hiilidioksidin kaasuseos tai puhdas hiilidioksidi. Aktiivinen suojakaasu reagoi hitsisulassa olevien aineiden kanssa. Sitä käytetään teräksen ja ruostumattoman teräksen hitsauksessa. Kun käytetään inerttiä suojakaasua, käytetään nimitystä MIG-hitsaus. Inertti suojakaasu on argon, helium tai näiden seoskaasu. Inertti suojakaasu ei reagoi hitsisulassa olevien aineiden kanssa. Inerttiä suojakaasua käytetään eirautametallien hitsauksessa. (Lukkari 2002, 159.) Hitsattaessa umpilangalla käytetään MIG/MAG-hitsauksessa yleensä tasavirtaa ja + napaa, jolloin saavutetaan roiskeeton aineensiirtyminen ja vakaa valokaari. Poikkeustapauksissa voidaan käyttää myös napaa päällehitsauksissa, jolloin sulatusnopeus on huomattavasti suurempi. Lisäksi Japanissa on kehitetty 1990-luvulla vaihtovirtahitsausta, jota käytetään esimerkiksi ohutlevyjen hitsauksessa. (Lukkari 2002, 160.) 3

11 MIG/MAG- hitsaus on yleensä osittain mekanisoitua hitsausta, jossa hitsausliike tehdään käsin ja lisäaine syötetään koneellisesti. Hitsaus on edelleen helppo mekanisoida, automatisoida ja robotisoida. (Lukkari 2002, 160.) 3 MONILANKAHITSAUS MIG/MAG-hitsausta yhdellä lisäainelangalla voidaan tehostaa merkittävästi esimerkiksi monilankatekniikoilla, joilla voidaan nostaa hitsiaineentuottoa ja hitsausnopeutta. Monilankahitsausprosesseja ovat MIG/MAG-hitsauksessa kaksoislankahitsaus (Twin) ja kaksilankahitsaus (Tandem). Twin-hitsaus (yksi langansyöttölaitte): Kahta lisäainelankaa syötetään samasta langansyöttölaitteesta. Molemmat lisäainelangat ovat samassa potentiaalissa ja ovat kytkettynä samaan virtalähteeseen. Twin-hitsaus (kaksi langansyöttölaittetta): Kahta lisäainelankaa syötetään kahdesta langansyöttölaitteesta eli molemmilla langoilla on oma langansyöttölaite. Molemmat lisäainelangat ovat samassa potentiaalissa ja ovat kytkettynä samaan virtalähteeseen. Tandem-hitsaus (kaksi langansyöttölaitetta ja kaksi virtalähdettä): Kahta lisäainelankaa syötetään kahdesta langansyöttölaitteesta eli molemmilla lisäainelangoilla on oma langansyöttölaite. Molemmat lisäainelangat ovat kytkettyinä omiin virtalähteisiin. Lisäainelangat on sähköisesti eristetty toisistaan yhteisessä hitsauspistoolissa. Lisäainelangat ovat eri potentiaaleissa ja hitsausparametrejä voidaan säätää molemmille langoille erikseen. (Goecke 2001, 24.) Edellä mainittujen lisäksi on olemassa myös järjestelmiä, jossa lisäainelankojen välinen etäisyys on niin suuri, että muodostuu kaksi erillistä hitsisulaa (Goecke 2001, 24). 4

12 4 TWIN-MAG-HITSAUS Kuten edellä on mainittu, Twin-MAG-hitsauksessa voi olla yksi tai kaksi langansyöttölaitetta. Kahta lisäainelankaa syötetään samaan hitsisulaan yhteisen kaksireikäisen kosketussuuttimen kautta tai kahdesta koskutussuuttimesta, jotka ovat samassa potentiaalissa. Molemmilla lisäainelangoilla on siten aina sama jännite. Virta johdetaan kosketussuuttimeen yhdestä virtalähteestä (Kuva 2) tai kahdesta rinnakkain kytketystä virtalähteestä. (Dilthey 1998, 221; Meuronen 1998.) Kuva 2. Twin-MAG-hitsauksen periaate (Dilthey 1998, 228). Twin-MAG-hitsauksessa lisäainelankojen välinen etäisyys on 4-7 mm, riippuen lisäainelankojen halkaisijoista ja kokonaisvirran intensiteetistä. Lisäainepisarat kohtaavat toisensa yhteisessä hitsisulassa. Jos lisäainelankojen välinen etäisyys on liian pieni, lisäainelankojen päähän muodostuu yhteinen pisara, mikä johtaa ongelmiin. Jos lisäainelankojen välinen etäisyys on taas liian suuri, syntyy kaksi erillistä hitsisulaa, jolloin kasvava magneettinen puhallus aiheuttaa roiskeita. (Dilthey 1998, 221.) Twin-MAG-hitsauksessa ei voida säätää hitsausparametrejä erikseen lisäainelangoille. Tämä aiheuttaa suuria ongelmia esimerkiksi, jos halutaan hitsata kahdella eri halkaisijaisella lisäainelangalla. Molemmilla lisäainelangoilla on lisäksi käytettävä samanaikaisesti samaa sulatustehoa. Twin-MAG-hitsauksessa voidaan säätää vain lisäainelankojen syöttönopeutta. 5

13 Myöskään lyhytkaarihitsaus ei ole mahdollista. Twin-MAG-hitsauksessa voidaan käyttää vain pulssikaarta ja kuumakaarta. Erityisesti pulssivirralla saavutetaan vakaa ja lähes roiskeeton aineensiirtyminen. (Dilthey 1998, 221; Meuronen 1998.) 5 TANDEM-MAG-HITSAUS 5.1 Periaate ja laitteisto Tandem-MAG-hitsaus on kehitetty, jotta voidaan saavuttaa suurempi hitsausnopeus ja hitsiaineentuotto verrattuna yksilankahitsaukseen. Tandem-MAG-hitsauksessa syötetään kahta sähköisesti toisistaan eristettyä lisäainelankaa yhteiseen hitsisulaan. Tandem-MAGhitsauslaitteistossa on kaksi keskenään synkronisesti ohjattua pulssivirtalähdettä, kaksi toisistaan eristettyä kosketussuutinta ja kaksi langansyöttölaitetta (Kuva 3). Virtalähteet yhdistetään yhteisellä kaapeloinnilla hitsauslaitteen ohjaukseen tai robottiin. (Meuronen 1998.) Kuva 3. Tandem-MAG-hitsauksen periaate (Meuronen 1998). Tandem-MAG-hitsauksessa on lisäainelangoilla yksi yhteinen hitsauspoltin, jossa on nestejäähdytys. Kosketussuuttimet on sijoitettu hitsauspolttimessa peräkkäin pieneen kulmaan toisiinsa nähden. Koskeutussuuttimien välinen kulma on noin astetta. 6

14 Kosketussuuttimien välinen kulma tosin riippuu poltinmallista. Yleensä kosketussuuttimien välistä kulmaa voidaan säätää ja samalla vaikuttaa lisäainelankojen väliseen etäisyyteen. Ensimmäinen lisäainelanka on hitsaussuuntaan nähden vetävässä asennossa ja jälkimmäinen lisäainelanka on vastaavasti työntävässä asennossa (Kuva 4). Tämä riippuu myös polttimen asennosta. Hitsauspolttimen haittana on suuri koko, joten hitsaus ahtaissa kohteissa ja pienen säteen liikeradoilla saattaa hankaloitua. (Meuronen 1998; Dilthey 1998, 221; Lukkari 2004, 34.) Kuva 4. Tandem-MAG-hitsauspolttimen rakenne. Travel direction=hitsaussuunta, Trailing=perässä kulkeva, Leading=edellä kulkeva, Z=lisäainelankojen välinen etäisyys kosketussuuttimien ollessa kohtisuorassa levyä vasten, =edellä kulkevan kosketussuuttimen kulma, =perässä kulkevan kosketussuuttimen kulma, =lisäainelankojen välinen etäisyys, S=vapaalanganpituus, = kosketussuuttimen pituus. (Hedegård 2007, 3.) Kokonaishitsausvirta, eli molempien lisäainelankojen yhteisvirta, on tyypillisesti A. Maksimihitsausvirta yhdelle lisäainelangalle on tyypillisesti A. (Morehead 2003.) 7

15 Virtalähteinä käytetään esimerkiksi kuvassa 5 olevia Froniuksen TimeTwin Digital - virtalähteitä. Fronius käyttää TimeTwin -nimeä, tarkoittaen sillä samaa kuin tandem. TimeTwin Digital sisältää kaksi TransPuls Synergic 4000 tai sarjan virtalähdettä eli synergisesti ohjattua transistoritekniikkaan perustuvaa pulssivirtalähdettä, yhdistettynä digitaaliseen käyttöliittymään. Esimerkiksi eräällä saksalaisella telakalla hitsattiin aiemmin paneeleita yksilankahitsauksena, hitsausnopeudella 1 m/min. Valtaosa hitsien a-mitoista on välillä 3,5-4,0 mm. TimeTwin Digital laitteistolla hitsausnopeus on saatu kohoamaan 1,6-1,7 m/min, mikä on lähes kaksinkertainen nopeus aiempaan verrattuna. Hitsin laatu on samanaikaisesti parantunut. Ennen telakalla hitsattiin 4 paneelia päivässä, mutta nykyinen tuotantomäärä on 6 paneelia päivässä. (Fronius 2008, 16.) Kuva 5. Froniuksen TimeTwin Digital -virtalähteet (Fronius 2008, 16). 5.2 Kaarityypit tandem-mag-hitsauksessa Tandem-MAG-hitsaus on yleensä pulssihitsausta, jossa edellä kulkeva lisäainelanka ja perässä kulkeva lisäainelanka ovat molemmat pulssikaarella. Pulssihitsauksen avulla varmistetaan lisäaineen siirtyminen lisäainelangasta perusaineeseen, käytettäessä suuria langansyöttönopeuksia. Pulssihitsauksella on myös merkittävä tehtävä tunkeuman ja sulan hallinnan kannalta. Suurilla aineenvahvuuksilla voidaan käyttää lisäksi kuumakaarta. Lyhytkaaren käyttö on erittäin vähäistä, koska se aiheuttaa roiskeita ja epävakautta hitsauksen aikana. (Meuronen 1998.) 8

16 Pulssikaaressa ohjataan aineensiirtymistä sykkivän virran eli pulssivirran avulla. Pulssikaaressa syötetään virtapulsseja suurella taajuudella perusvirran päälle, jolloin aineensiirtyminen tapahtuu suihkumaisena virtapulssin aikana. Säädettävät parametrit ovat pulssivirta (langansyöttö), taukovirta eli perusvirta, pulssijännite, pulssiaika, pulssitaajuus sekä pulssin muoto. Perusvirran tehtävänä on pitää lisäainelangan pää ja hitsisula sulana. Perusvirta täytyy säätää niin suureksi, ettei valokaari pääse sammumaan pulssien välillä. Pulssivirran pitää olla riittävän korkea ja pitkäaikainen, että lisäainepisara irtoaa pulssin aikana ilman oikosulkuja. Pulssiaika valitaan niin, että säädetyllä pulssivirralla irtoaa vain yksi lisäainepisara ilman oikosulkuja ja lähtee liikkeelle riittävän suurella nopeudella. Pulssitaajuus määrää lisäainepisaroiden määrän aikayksikössä. Kun taajuutta nostetaan, niin pisaramäärä kasvaa ja kaariteho nousee. Tyypillisesti taajuus on edellä kulkevassa lisäainelangassa noin 300 Hz ja perässä kulkevassa lisäainelangassa noin 200 Hz. Pulssiarvot valitaan perusaineen, lisäaineen, aineenpaksuuden, lisäainelangan halkaisijan, hitsausasennon, suojakaasun ja virtalähteen mukaan. (Lukkari 2002, 172; Meuronen 1998.) Laadukkaassa pulssihitsauksessa on tärkeää sulapisaroiden hallittu synkronointi. Kuvassa 6 edellä kulkeva lisäainelanka (kuvassa lisäainelanka 2) siirtyy taukovaiheeseen perässä kulkevan lisäainelangan (kuvassa lisäainelanka 1) siirtyessä pulssivaiheeseen, jolloin niiden välille muodostuu vaihe-ero. (Meuronen 1998.) Kuva 6. Tandem-MAG-hitsaus käyttäen pulssivirtaa. Hitsaussuunta on kuvassa vasemmalta oikealle. Electrode = lisäainelanka (Tandem wire MIG welding, 2005). 9

17 Pulssihitsauksen etuina on roiskeettomuus, lämmöntuonnin aleneminen, huokosten määrän väheneminen, hitsin hyvä visuaalinen ja metallurginen laatu. Myös sekoittumisasteen hallinta on helpompaa eripariliitosten hitsauksessa. Pulssihitsauksessa vaikeuksia voi tuottaa pulssiparametrien hidas säätäminen, koska säädettäviä arvoja on paljon. (Suoranta 2007, 21; Lukkari 2002, 172.) Perinteisen pulssikaaren lisäksi on olemassa tuplapulssihitsaus (kaksoispulssihitsaus), jossa pulssitetaan hitsausvirran lisäksi myös langansyöttöä. Tällä saadaan aikaiseksi tunkeuman parempi hallinta perinteiseen pulssihitsaukseen verrattuna. Esimerkiksi alumiinin pienahitsauksessa saavutetaan varmempi särmän sulaminen. Myös palon pinta saadaan erittäin tasaiseksi. (Suoranta 2007, 21.) Pulssihitsauksen lisäksi voidaan käyttää myös esimerkiksi standarditoimitilaa (Kuva 7), jossa edellä kulkeva lisäainelanka on tasavirralla (DC) ja vakiojännitteellä, jolloin saavutetaan suuri tunkeuma ja hitsausnopeus. Perässä kulkeva lisäainelanka on vähemmän lämpöä tuottavalla pulssivirralla, jotta vältytään eletromagneettisilta häiriöiltä ja hitsisulaa voidaan paremmin jäähdyttää ja kontrolloida. (Morehead 2003; Nadzam 2003, 29.) Kuva 7. Standarditoimitilassa edellä kulkeva lisäainelanka on tasavirralla ja perässä kulkeva lisäainelanka on pulssivirralla (Nadzam 2003, 29). Direction of travel = hitsaussuunta, Lead = edellä kulkeva, Trail = perässä kulkeva 10

18 Kuva 8 on otettu suurnopeuskameralla. Hitsaus tapahtuu siten, että edellä kulkeva lisäainelanka on kuumakaarella ja perässä kulkeva lisäainelanka on pulssikaarella (ei synkronissa). Kuvan 8 ylemmissä kohdissa 9-12 on lisäainelankojen välinen etäisyys 8 mm ja alemmissa kohdissa mm. Kuvasta 8 nähdään, että lisäainelankojen välisen etäisyyden ollessa 8 mm, valokaarten välinen vetovoima on liian voimakas, jolloin syntyy häiriöitä. Lisäainelankojen välisen etäisyyden ollessa 15 mm valokaaret palavat itsenäisesti ja vakaasti. (Hedegård 2007, 8.) Kuva 8. Suurnopeuskameralla otettu kuva, jossa edellä kulkeva lisäainelanka on kuumakaarella ja perässä kulkeva lisäainelanka on pulssikaarella (ei synkronissa). Ylemmissä kuvissa on lisäainelankojen välinen etäisyys 8 mm ja alemmissa kuvissa 15 mm. (Hedegård 2007, 8.) 11

19 Taulukossa 1 on esitetty lisäainelankojen välisen etäisyyden riippuvuus käytettävissä oleviin kaarityypeihin. Molemmissa lisäainelangoissa on käytetty samaa kaarityyppiä ja lisäainelankojen etäisyydet on jaoteltu kolmeen osaan: 5 mm, 10 mm ja 20 mm. Taulukossa 1 olevat merkinnät tarkoittavat: (musta X=soveltuu erittäin hyvä), (musta X suluissa=soveltuu hyvin tai kohtalaisesti), (haalea X=ei suositeltava). (Hedegård 2007, 9.) Taulukko 1. Lisäainelankojen välisen etäisyyden riippuvuus käytettävissä oleviin kaarityypeihin. Arc type=kaarityyppi, both wires=molemmat lisäainelangat, Electrode interdistance=lisäainelankojen välinen etäisyys, Short=lyhytkaari, Spray=kuumakaari, Pulsing=pulssitus, non-sync=ei synkronointia, in-phase=vaihesiirrossa, out of-phase=ei vaihesiirrossa. (Hedegård 2007, 9.) 12

20 5.3 Hitsausasennot ja liitosmuodot Tandem-MAG-hitsaus soveltuu monille erilaisille liitosmuodoille ja moniin eri hitsausasentoihin. Seuraavassa on esimerkkejä, kuinka hyvin tandem-mag-hitsaus soveltuu eri liitosmuodoille eri hitsausasennoissa. Tandem-MAG-hitsaus on suositeltavaa päällekkäishitsit jalkoasennossa pienahitsit jalko- ja vaaka-asennossa porrastetut hitsit jalkoasennossa viistetyt päittäishitsit jalkoasennossa J- railo hitsit Tandem-MAG-hitsaus soveltuu hyvin viistettyjen päittäishitsien hitsaamiseen vaakaasennossa, mutta silloin ei saavuteta yhtä suurta hitsausnopeutta verrattuna jalkoasentoon. Tandem-MAG-hitsaus ei ole suositeltavaa saumakehitsit hitsit, jotka ovat herkkiä magneettiselle puhallukselle hitsit, joissa on useita vaikeita käännöksiä ohut aineenvahvuus ja hitsataan I-railoon päittäishitsi (Tandem MIG 2005). 5.4 Railot Standardi ISO sisältää railomuotojen mittoja, jotka vastaavat yleensä tarkoituksenmukaisia hitsausolosuhteita. Käyttöalueen laajuuden takia on tarpeellista antaa mitta-alue, eikä yksittäisiä mittoja. Annetut mitta-alueet ovat suunnittelun raja-arvoja, eivätkä valmistuksen toleransseja. Standardin ISO railomuodot soveltuvat teräksen puikko-, metallikaasukaari-, kaasu-, TIG- ja sädehitsaukseen. (SFS-EN ISO ) 13

21 Tulevissa koehitsauksissa käytetään puoli-v-railoa, joten puoli-v-railon mitta-alue MAGhitsaukseen on esitetty taulukossa 2. On huomioitava, ettei kyseinen standardi suoranaisesti viittaa tandem-mag-hitsaukseen. Taulukko 2. MAG-hitsauksessa käytettävän puoli-v-railon mitta-alue. (SFS-EN ISO ) 5.5 Poltinkulmat Yleiset säännöt ja ohjeet, jotka koskevat hitsausparametrejä yksilankahitsauksessa, soveltuvat myös tandem-mag-hitsaukseen. Kuitenkin on pidettävä mielessä joitakin asioita kahdella lisäainelangalla hitsattaessa. Koska valokaaret ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, niin mm. langansyöttönopeuksien suhde, vapaalankojen pituudet, poltinkulmat ja lisäainelankojen välinen etäisyys tulee olla säädettynä tarkasti kohdalleen. (Tandem MIG 2005.) Poltinkulmia voidaan muuttaa sovelluskohtaisesti. Suositeltava polttimen kuljetuskulma on 0-5 astetta työntävässä asennossa (Kuva 9)(Tandem MIG 2005). 14

22 Kuva 9. Suositeltava polttimen kuljetuskulma tandem-mag-hitsauksessa on 0-5 astetta työntävässä asennossa (Tandem MIG 2005). Travel Direction = hitsaussuunta Polttimen kallistuskulmia tandem-mag-hitsauksessa on esitetty kuvassa 10. Kohdassa A on polttimen kallistuskulma kohtisuoraan levyä vasten, kun hitsataan jalkoasennossa esimerkiksi viistettyä päittäishitsiä, pienahitsiä ja päällekkäishitsiä. Kohdassa B on polttimen kallistuskulma 65 astetta, kun hitsataan alapiena-asennossa päällekkäishitsiä. Kohdassa C on polttimen kallistuskulma 45 astetta, kun hitsataan alapiena-asennossa pientä pienahitsiä. Kohdassa D on polttimen kallistuskulma 40 astetta, kun hitsataan alapiena-asennossa suurta pienahitsiä. (Tandem MIG 2005.) Kuva 10. Polttimen kallistuskulmia tandem-mag-hitsauksessa (Tandem MIG 2005). Flat welds=jalkohitsit, Beveled butt=viistetty päittäishitsi, Fillets=pienahitsit, Laps= Päällekkäishitsit, Horizontal welds=vaakahitsit, 1/2 Wire dia.=puolet lisäainelangan halkaisijasta 15

23 5.6 Lisäainelangat ja niiden käyttö tandem-mag-hitsauksessa Tandem-MAG-hitsauksessa käytetään yleensä umpilankoja, joiden halkaisijat ovat 1,0 mm tai 1,2 mm. Tandem-MAG-hitsauksessa on mahdollista käyttää myös täytelankoja. Lisäksi voidaan hitsata sovelluskohteesta riippuen siten, että edellä kulkeva lisäainelanka on halkaisijaltaan suurempi verrattuna perässä kulkevaan lisäainelankaan. Kahden samanhalkaisijaisen lisäainelangan käyttö voi sovelluskohteesta riipuen rajoittaa hitsausnopeutta ja pienentää tuottavuutta. (Meuronen 1998; Dilthey 1998, 223; Morehead 2003.) Tandem-MAG-hitsauksessa voidaan molempien lisäainelankojen valokaaret pitää lyhyenä, koska lisäainelangat ovat sähköisesti eristettyinä toisistaan. Liian pitkä valokaari johtaa reunahaavan syntymiseen. Perässä kulkevan lisäainelangan vapaalanganpituus on syytä pitää pienempänä kuin edellä kulkevan lisäainelangan. (Dilthey 1998, 223.) Lisäainelankojen välinen etäisyys on suhteellisen pieni, joten langat muodostavat yhteisen hitsisulan. Lankojen välinen etäisyys on noin 5-20 mm. (Lukkari 2004, ) Jos lankojen välinen etäisyys on ääriasennossa, voidaan puhua kahdesta erilaisesta tandem-maghitsaustavasta. Lankojen välisen etäisyyden vaikutusta hitasusparametreihin on esitetty taulukossa 3. Lankojen välisen etäisyyden ollessa noin mm, hitsisula suurenee. Tällöin saadaan aikaan syvä tunkeuma ja korkea tuottavuus. Lankojen välisen etäisyyden ollessa noin 6-8 mm, hitsisula pienenee. Tällöin lämmöntuonti on pienempi, tunkeuma lähinnä MAGhitsauksen tasoa ja se soveltuu hyvin asentohitsaukseen. Mahdollisten valokaariyhdistelmien, käytettävien poltinkulmien ja hitsausvirta-alueiden käyttö on rajoitetumpaa lankojen välisen etäisyyden ollessa pieni. (Hedegård 2007, 1,6.) 16

24 Taulukko 3. Lankojen välisen etäisyyden vaikutus hitsausparametreihin tandem-maghitsauksessa (Hedegård 2007, 11-12). Hitsausparametri Lankojen välinen Lankojen välinen Syy rajoitukseen etäisyys yli 15 mm etäisyys alle 10 mm Polttimen 35 asteeseen ei tuota enintään 25 astetta Pieni etäisyys: aiheutuu kuljetuskulma ongelmia, vapaalankojen pituuksien kasvaessa reunahaavaa ja lisäksi hitsin pintapalko ei ole hyvä voidaan käyttää jopa 45 astetta Kaarityypit Kaikki kaarityyppien Vain: Pieni etäisyys: Lyhyt valokaari yhdistelmät ovat pulssi + pulssi aiheuttaa ongelmia valokaaren mahdollisia, synkronilla kuumakaari+ kuumakaari vakaudessa tai ilman kuumakaari + pulssi Valokaaren Kaikki tyypit ovat Tulee arvioida erikseen Pieni etäisyys: Riippuu synkronointityyppi mahdollisia (mutta synkronointi ei ole kullekkin laitteistolle laitteiston suorituskyvystä välttämätöntä) Vapaalanganpituus enintään 30 mm enintään 20 mm Pieni etäisyys: Lankojen kulmat ja pieni etäisyys aiheuttavat ongelmia hitsisulassa ja valokaaressa Hitsausvirta (langansyöttö) 500 A, voi olla myös suurempi noin A Pieni etäisyys: Lankojen kulmat ja lankojen välinen pieni etäisyys aiheuttavat ongelmia hitsisulassa ja suurilla virroilla valokaaret voivat käyttäytyä epävakaasti Tunkeuma Syvä tunkeuma on mahdollinen, koska on mahdollista käyttää suuria hitsausvirtoja Ei paljoa parempi kuin yksilanka MAGhitsauksessa? Pieni etäisyys: Yli 400 A virta voi johtaa roiskeisiin ja valokaaren epävakauteen Tandem-MAG-hitsauksessa tulee säätää hitsausparametrit erikseen molemmille lisäainelangoille. Lisäainelangoilla on kummallakin omat tehtävänsä yhteisessä hitsisulassa. Edellä kulkeva lisäainelanka muodostaa noin 65 % hitsiaineentuotosta ja sen tarkoituksena on 17

25 tehdä suuri tunkeuma. Perässä kulkeva lisäainelanka käyttää pienempää virtaa, koska sen on parempi pysyä viileämpänä kontrolloidessaan hitsisulaa (Kuva 11). Sen tehtävä on täyttää kraateri ja muotoilla hitsin pinta, aiheuttamatta liikaa roiskeita. (Goecke 2001, 24-25; Morehead 2003.) Kuva 11. Lisäainelankojen asemat tandem-mag-hitsauksessa (Nadzam 2003, 29). Direction of travel = hitsaussuunta, Lead = edellä kulkeva, Trail = perässä kulkeva Tarkasti peräkkäin asetetut lisäainelangat mahdollistavat hitsaussuuntaan nähden lähes suorakaiteen muotoisen hitsisulan, mikä edistää kaasujen poistumista hitsisulasta ja siten vähentää huokoisuutta. (Meuronen 1998.) Jos lisäainelangat eivät ole peräkkäin asetettuna hitsaussuuntaan nähden, vaan lievästi kiertyneenä toisiaan vasten (Kuva 12), hitsausvirran intensiteetti laskee, jolloin hitsausnopeus vähenee. Esimerkiksi noin 20 asteen kiertymä laskee hitsausnopeutta noin %:a, riippuen kaarityypistä. (Dilthey 1998, 220.) 18

26 Kuva 12. Lisäainelangat ovat lievästi kiertyneenä toisiaan vasten (Dilthey 1998, 228). 5.7 Suojakaasut tandem-mag-hitsauksessa Tandem-MAG-hitsauksessa ei tarvita erikoiskaasuja. Yleisesti käytettävien seoskaasujen hiilidioksidipitoisuus tulee kuitenkin olla alle 20 %:a, jotta saadaan aikaan pulssikaari ja kuumakaari. Suositeltava suojakaasu on 82 % Ar + 18 % CO2. Tällä kaasulla on kuitenkin taipumus roiskeisuuteen, jota voidaan estää vähentämällä hiilidioksidin määrä 5-8 %:iin, jolloin hitsausprosessi on vakaampi. Ohuita levyjä hitsattaessa, voidaan hitsausta vakauttaa entisestään lisäämällä happea 5 %:iin asti. On suositeltavaa lisätä happea vain, jos hitsausnopeus on maksimissaan 1,6 m/min, koska suuremmilla hitsausnopeuksilla lämpöhäviö on suuri hitsin reunoilla, jolloin liitosvirheen riski kasvaa. Hitsattaessa suurilla hitsausnopeuksilla paksuja levyjä, on suositeltavaa käyttää aina hiilidiosidia 8 %:a ja loput argonia. (Dilthey 1998, 225; Meuronen 1998.) 5.8 Tandem-MAG-hitsaus verrattuna yksilankahitsaukseen Tandem-MAG-hitsauksella voidaan kasvattaa huomattavasti hitsausnopeutta ohutlevyjen hitsauksessa ja hitsiaineentuottoa paksujen levyjen hitsauksessa, verrattuna perinteisiin kaarihitsausprosesseihin. (Morehead 2003.) 19

27 Tandem-MAG- hitsauksen edut Hitsausmenetelmänä: suuri hitsausnopeus, saavutettu jopa 6 m/min suuri langansyöttönopeus, yhden lisäainelangan syöttönopeus voi olla jopa 30 m/min suuri hitsiaineentuotto, langansyöttönopeuksilla m/min on hitsiaineentuotto noin 25 kg/h Valokaaressa ja hitsissä: vähäinen hitsausenergian tuonti, huolimatta kasvaneesta sulatustehosta -> muodonmuutokset vähenävät -> oikaisun tarve vähenee ei pyörivän valokaaren ongelmia pulssihitsauksen ansiosta vakaa valokaari sekä hitsin hyvä visuaalinen - ja metallurginen laatu Lisäainelangoissa ja seoskaasuissa: mahdollisuus käyttää erilaisia lisäainelankoja sekaisin ei tarvita erikoiskaasuja Työkappaleissa: tunkeuman hyväksikäyttö hitsin mitoituksessa vähäinen roiskeisuus, jolloin jälkityöstö vähenee pulssihitsaus on sallivampi raoille kuin perinteiset tekniikat (Meuronen 1998). 5.9 Tandem-MAG-hitsauksen käyttökohteet Tandem-MAG-hitsauslaitteistojen määrä on jatkuvassa kasvussa. Tandem-MAGhitsauslaitteistot korvaavat pääsääntöisesti yksilankajärjestelmiä, tarkoituksena kasvattaa hitsiaineentuottoa ja hitsausnopeutta. Tandem-MAG-hitsausta käytetään esimerkiksi nostolaite- ja ajoneuvoteollisuudessa, maanrakennuslaite- ja maatalouslaiteteollisuudessa, auto- ja laivarakennuksessa, lämmityskattila- ja säiliövalmistuksessa, sekä kevyessä ja raskaassa konepajateollisuudessa. (Morehead 2003 & Meuronen 1998.) 20

28 6 MAGNEETTINEN PUHALLUS Magneettinen puhallus voi aiheuttaa tandem MAG-hitsauksessa ongelmia, koska käytetään suuria hitsausvirtoja. Täten magneettisen puhalluksen periaate on tärkeä tiedostaa ja keinot sen estämiseksi. 6.1 Magneettisen puhalluksen periaate Sähkövirta aiheuttaa ympärilleen magneettikentän. Hitsausvirtapiirissä virrallisen lisäainelangan ja valokaaren ympärille muodostuu magneettikenttä. Valokaaren kohdalla, virran kulkiessa kohti maadoitinta, kaarteen sisäpuolelle syntyy magneettisten voimaviivojen tihentymä ja ulkopuolelle laajentuma (Kuva 13). Tästä seuraa epätasainen magneettikenttä. Tihentymä voimistaa kenttää, jolloin herkkäliikkeinen valokaari taipuu toiseen suuntaan. Tätä ilmiötä kutsutaan magneettiseksi puhallukseksi. (Lukkari 2002, 75; Laine 2000, 21.) Kuva 13. Magneettisen puhalluksen periaate (Lukkari 2002, 75). Magneettiseen puhallukseen vaikutttavat mm. hitsausvirran suuruus ja virran kulkureitti. Magneettista puhallusta esiintyy yleisimmin suurilla hitsausvirroilla hitsattaessa, koska magneettiset voimat ovat verrannollisia virran toiseen potenssiin. Esimerkiksi hitsattaessa puikkohitsauksessa suurriittoisuuspuikolla, magneettinen puhallus suuntautuu yleensä maadoittimesta poispäin (Kuva 14). (Lukkari 2002, 75.) 21

29 Kuva 14. Magneettisen puhalluksen vaikutus suurriittoisuuspuikolla hitsattaessa. Magneettinen puhallus suuntautuu maadoittimesta poispäin (Lukkari 2002, 75). Magneettinen puhallus voi aiheuttaa hitsauksessa esimerkiksi reunahaavaa, roiskeisuutta, huokoisuutta, muutoksia tunkeumassa ja jopa valokaaren täydellisen sammumisen (The procedure handbook of arc welding 1973, 3.2-4; Lukkari 2002, 76). Magneettista puhallusta voidaan estää esimerkiksi sijoittamalla maadoitin aloituskohtaan eli hitsataan maadoittimesta poispäin käyttämällä useita maadoittimia käyttämällä vaihtovirtaa käyttämällä apupaloja levyn aloitus- ja lopetuskohdissa, jossa puhallus on usein voimakasta puikkohitsauksessa kallistamalla puikkoa puhalluksen suuntaan niin paljon, että hitsaus saadaan hallintaan pitämällä valokaari mahdollisimman lyhyenä vähentämällä hitsausvirtaa, jolloin hitsausnopeutta tosin joudutaan vähentämään (Lukkari 2002, 36,75-76; The procedure handbook of arc welding 1973, ) 22

30 6.2 Magneettinen puhallus tandem-hitsauksessa Kun kaksi valokaarta on lähekkäin toisiaan, niiden magneettikentät reagoivat aiheuttaen magneettista puhallusta molemmissa valokaarissa. Valokaarien ollessa tasavirralla eri napaisia ja lähekkäin toisiaan niiden magneettikentät vetävät toisiaan puoleensa valokaarien välillä. Voimakas magneettikenttä valokaarien välillä aiheuttaa valokaarien puhaltumisen poispäin toisistaan, kuten kuvan 15 kohdassa (a). Valokaarien ollessa tasavirralla ja saman napaisia, magneettikentät vastustavat toisiaan valokaarien välillä. Tuloksena on heikompi magneettikenttä valokaarien välillä, jolloin magneettinen puhallus puhaltaa valokaaret toisiaan kohti, kuten kuvan 15 kohdassa (b). Kun toinen valokaari on tasavirralla (DC+) ja toinen vaihtovirralla (AC), vaihtovirran vuokenttä kumoutuu täysin jokaisella kieroksella ja tasavirralla kenttä on pieni. Tuloksena on erittäin pieni magneettinen puhallus, kuten kuvan 15 kohdassa (c). (The procedure handbook of arc welding 1973, ) Kuva 15. Magneettinen puhallus tandem-hitsauksessa. (The procedure handbook of arc welding 1973, ) 23

31 Kun molemmat valokaaret ovat vaihtovirralla, magneettisen puhalluksen häiriöiltä vältytään suuressa määrin vaihe-erolla, jossa toisen valokaaren virta on asteeen vaihe-erossa toisesta valokaaresta. Vaihe-erossa toisen valokaaren magneettikenttä ja virta lähenevät maksimia. Samaan aikaan toisen valokaaren magneettikenttä ja virta ovat lähellä minimiä tai minimissä. Tuloksena on erittäin pieni magneettinen puhallus. (The procedure handbook of arc welding 1973, ) Eräässä tutkimuksessa; Tandem-MAG-hitsauksen soveltuvuus isojen levylakanoiden valmistamiseen, selvitettiin mm. magneettisen puhalluksen vaikutusta tandem-maghitsauksessa. Tutkimuksessa todettiin, että magneettinen puhallus pilasi yleensä hitsin lopun, vaikka käytettiin lopetuspaloja. Pienemmillä virroilla hitsattaessa magneettisen puhallus oli vähäisempää ja suuremmilla virroilla se lisääntyi. Suuremmat jännitteet vähensivät magneettista puhallusta. Tutkimuksessa todettiin, että magneettisen puhalluksen poistamiseksi tulisi käyttää riittävästi maadoistusta ja oikein sijoitettuna. Lisäksi tulisi käyttää tarpeeksi suuria ja riittävän vahvasti hitsattuja lopetuspaloja. (Laine 2000, 82.) 7 MUODONMUUTOKSET HITSAUKSESSA Hitsauksessa syntyvät jännitykset voivat aiheuttaa muodonmuutoksia työkappaleessa. Ne voidaan havaita työkappaleen kutistumisena, taipumisena ja lommoutumisena (Kuva 16). Jännitykset johtuvat pääasiassa työkappaleen epätasaisesta kuumenemisesta ja jäähtymisestä hitsauksen aikana. (MET 16/88, 8.) 24

32 Kuva 16. Hitsausmuodonmuutosten lajit (MET 16/88, 8). 7.1 Poikittaiskutistuma Poikittaiskutistuman suuruuteen vaikuttavat erityisesti lämmöntuonti, railon poikkipinnan suuruus, työkappaleen jäykkyys sekä ulkoinen pidätysvoima. Poikittaiskutistuma kasvaa lämmöntuonnin, railon poikkipinnan ja ilmaraon kasvaessa. Työkappaleen jäykkyyden kasvu ja ulkoisen pidätysvoiman lisääminen pienentävät poikittaiskutistumaa. Silloituksessa poikittaiskutistuma kasvaa käytettäessä yli 60 mm siltahitsejä sekä siltahitsien välin ollessa pienempi kuin 25-kertainen ainevahvuus. (Gren 1984, IV-6-7.) Poikittaiskutistumaa voidaan vähentää esimerkiksi vähentämällä lämmöntuontia lisäämällä työkappaleen jäykkyyttä esimerkiksi kiinnittimillä käyttämällä ennemmin X- kuin V-railoa lyhentämällä siltahitsejä pitämällä siltahitsien välit vähintään 25-kertaisina aineenvahvuuteen verrattuna käyttämällä hyppelehtivää silloitusjärjestystä pienentämällä ilmarakoa (MET 16/88, 12). 25

33 7.2 Kiertymä Kiertymämuodonmuutos saattaa syntyä hitsattaessa ohuita levyjä päittäin. Hitsausmenetelmästä ja nopeudesta riippuen kiertymämuodonmuutos voi olla liitosta sulkeva (esimerkiksi puikkohitsaus) tai liitosta avaava (esimerkiksi jauhekaarihitsaus). (Gren 1984, IV-8.) Kiertymistä voidaan vähentää esimerkiksi riittävällä silloituksella ja käyttämällä hyppelehtivää silloitusjärjestystä (MET 16/88, 12). 7.3 Kulmavetäytymä Päittäisliitoksen kulmavetäytymän eli kulmamuutoksen pääasiallinen syy on epätasainen hitsauslämmön jakauma liitoksen paksuussuunnassa. Päittäisliitoksen kulmamuutos suurenee käytettäessä yksipuolisesti viistettyjä railoja (I-, V-, J- ja U-railo) ja kyseisten railojen poikkipintojen kasvaessa. Kaksipuolista railoa hitsattaessa jää liitokseen pysyvä kulmamuutos, mikäli hitsataan suurempi railotilavuus viimeksi hitsattavalle puolelle. (Gren 1984, IV-8.) Kulmamuutosta voidaan estää esimerkiksi vähentämällä lämmöntuontia käyttämällä molemmilta puolilta viistettyjä railoja vähentämällä palkojen lukumäärää (ohuilla materiaaleilla pyritään yhteen palkoon ja syvään tunkeumaan) käyttämällä katkohitsausta, jos se on sallittua pienentämällä ilmarakoa esitaivutuksella käyttämällä esijännitystä kiinnittimessä (MET 16/88, 12). 7.4 Pituuskutistuma Päittäisliitoksen pituuskutistuma on yleensä pienempi verrattuna päittäisliitoksen poikittaiskutistumaan. Pituuskutistuma kasvaa hitsin poikkipinta-alan kasvaessa ja pienenee 26

34 muodonmuutosta vastustavan poikkipinnan kasvaessa eli kappaleen poikkipinta-ala kohtisuoraan hitsin pituussuuntaan nähden. Jos kappaleen jäykkyys ei ole riittävän suuri aiheuttamaan merkittävää tyssääntymistä, voi liitoksen pituussuunnassa syntyä kutistuman sijasta venymää. (Gren 1984, IV-6.) Pituuskutistumaa voidaan estää esimerkiksi vähentämällä lämmöntuontia käyttämällä monipalkohitsausta käyttämällä katkohitsausta, jos se on lujuuden ja korroosion puolesta sallittua vähentämällä siltahitsien määrää ja pituutta, silloittamalla reunoilta keskelle (MET 16/88, 12). 7.5 Kaareutuminen Kun hitsi ei sijaitse rakenteen neutraaliakselilla, pituuskutistuma aiheuttaa taivutusmomentin ja pituussuuntaisen taipuman eli kaareutumisen. Kaareutuminen aiheuttaa yleensä enemmän ongelmia pienaliitoksessa kuin päittäisliitoksessa. (Gren 1984, IV-9.) Kaareutumista lisäävät hitsien etäisyyden kasvaminen neutraaliakseliin nähden, niiden sijainnin epäsymmetrisyys neutraaliakselin suhteen sekä hitsien eriaikainen hitsaus. Hitsausenergian kasvattaminen lisää pituussuuntaista taipumaa, joten on edullisempaa käyttää useita pieniä palkoja yhden suuren palon sijasta. Lisäksi kannattaa käyttää katkohitsejä, jos se on sallittua. (Gren 1984, IV-9.) 7.6 Lommoutuminen Ohuita levyjä ja levykenttiä hitsattaessa hitsin pituussuuntaiset puristusjäännösjännitykset kauempana hitsistä aiheuttavat levyn lommoutumisen. Lommoutumisvaara esiintyy hitsauksessa 8 mm:ä pienemmillä aineenvahvuuksilla. Suuremmilla ainevahvuuksilla lommoutuminen on epätodennäköistä. (Gren 1984, IV-10.) 27

35 Lommoutumista voidaan estää esimerkiksi vähentämällä lämmöntuontia monipalkohitsauksella käyttämällä katkohitsausta, jos se on sallittua suurentamalla levyn paksuutta tai pienentämällä levykentän leveyttä esimerkiksi jäykkääjien jakoa tihentämällä (MET 16/88, 12). 7.7 Yleiset muodonmuutosten ehkäisykeinot Hitsauksessa tapahtuvia muodonmuutoksia voidaan edellä mainitusti ehkäistä useilla erilaisilla toimenpiteillä. Muodonmuutoksia voidaan yleisesti ehkäistä esimerkiksi vähentämällä lämmöntuontia sijoittamalla hitsi neutraaliakselille sijoittamalla hitsit symmetrisesti neutraaliakseliin nähden sopivalla hitsausjärjestyksellä käyttämällä piste- ja katkohitsejä pienentämällä railotilavuutta välttämällä ilmarakoja käyttämällä monipalkohitsausta lyhentämällä siltahitsejä pitämällä siltahitsien välit vähintään 25-kertaisina aineenvahvuuteen verrattuna esitaivuttamalla työkappaletta. (MET 16/88, ) 8 LUJIEN TERÄSTEN HITSAUS Lujilla hitsattavilla teräksillä tarkoitetaan seostamattomia tai niukkaseosteisia rakenneteräksiä, joiden myötölujuus on seostuksen, valssaustekniikan ja/tai lämpökäsittelyn avulla nostettu myötölujuusalueelle yli 355 MPa, kuitenkin niin, että hitsattavuus säilyy. Lujien terästen käyttö edellytttää huolellista menetelmäkokeiden suunnittelua ja tekemistä, millä varmistetaan koko hitsausliitokselle hyvät mekaaniset ominaisuudet tuotantohitseissä. (Härkönen 1993, 10; Lukkari 2002, 28.) 28

36 Hitsattavuus on varmistettava ainakin silloin, kun teräksen myötölujuusluokka ylittää tason Re=350 MPa murtolujuusluokka ylittää tason Rm=500 MPa ainevahvuus on yli 25 mm (Hitsaajan opas 2003, 16). 8.1 Lujien terästen hitsaukseen liittyvät ongelmat Lujien rakenneterästen hitsaukseen liittyy halkeilu- ja sitkeysongelmia. Keskeisin lujien terästen hitsattavuutta rajoittava tekijä on niiden taipumus vety- eli kylmähalkeiluun. Perinteisesti kylmähalkeilu on ollut lähes pelkästään perusaineen muutosvyöhykkeen ongelma. Nykyaikana, kun lujuus saadaan teräksiin yhä pienemmillä seostusmäärillä, kylmähalkeilu on tullut myös hitsiaineen ongelmaksi. (Härkönen 1993, 10; Lukkari 2002, 43.) Hitsin jäähtymisnopeutta kuvataan yleensä jäähtymisajalla t 8/5, jolla tarkoitetaan aikaa, joka kuluu jäähtymiseen lämpötilavälillä C. Tällä lämpötilavälillä tapahtuu jäähtymisen aikana tärkeimmät mikrorakennemuutokset, kun austeniitti hajaantuu eri mikrorakenteiksi. Jäähtymisnopeuteen vaikuttavat hitsauksessa mm. lämmöntuonti, aineenpaksuus, esilämmitys ja välipalkolämpötila. Jos aika t 8/5 on hitsauksessa liian lyhyt, hitsin muutosvyöhykkeellä voi tapahtua liiallista karkenemista. Jos vetypitoisuus on samaan aikaan liian suuri, niin kylmähalkeamia voi syntyä karenneelle vyöhykkeelle jäännösjännitysten vaikuttaessa. (Lukkari 2002, 30; SFS-EN ) Edellytyksenä vetyhalkeamien syntymiselle on seuraavien tekijöiden samanaikainen esiintyminen: korkea hitsin vetypitoisuus riittävän korkea vetojännitystaso hauras mikrorakenne (martensiitti) yleensä lämpötila alle C. (Härkönen 1993, 10.) Teräksen lujuuden kasvaessa, hitsiaineessa olevan vetypitoisuuden sallittu määrä tiukkenee. Lujien terästen lisäaineiden vetypitoisuus tulee olla alle 5ml/100g eli vetyluokka H5. Vedyn päälähde on hitsausaineissa oleva kosteus ja vesi, sekä lisäainelangan pinnalla olevat 29

37 epäpuhtaudet. Vetyä voi tulla myös ympäröivästä atmosfääristä, erityisesti MAG-hitsauksessa, ja epäpuhtauksista railopinnoilta. (Lukkari 2002, 29.) Kylmähalkeilulta voidaan välttyä pitämällä vetytaso alhaisena esimerkiksi varastoimalla, käsittelemällä ja tarvittaessa uudelleenkuivattamalla lisäaineet asiallisesti ohjeiden mukaan pitämällä hitsattavat pinnat puhtaina ja kuivina kiinnittämällä huomiota myös hitsausparametreihin ja hitsausolosuhteisiin. Lämmöntuonti ei saa olla liian matala, koska liian matala lämmöntuonti lisää lujuutta, mutta samalla kovuutta ja haurautta, ja siten kylmähalkeiluvaaraa. Hitsausolosuhteet voidaan kylmähalkeilun estämiseksi valita niin, että muutosvyöhyke jäähtyy riittävän hitaasti. Esilämmitystä tulee myös käyttää tarvittaessa. Lisäksi hitsin vetypitoisuutta voidaan pienentää käyttämällä vetykontrolloituja hitsausprosesseja ja käyttämällä vedynpoistohehkutusta. (SFS-EN ; Lukkari 2002, 34,43.) Hitsausliitokset pitää suunnitella paikkoihin, missä on mahdollisimman pienet jännitykset eli neutraaliakselille. Hitsausjärjestys tulee olla sellainen, että jäännösjännitykset voidaan minimoida. Lisäksi ilmarako saa olla korkeintaan 3 mm. (Welding of Weldox and Hardox 2007.) Liian suuri lämmöntuonti vaikuttaa heikentävästi hitsausliitoksen ominaisuuksiin. Lujilla teräksillä on taipumus haurastua (rakeenkasvuhauraus), mikäli hitsauksessa käytetään liian suurta lämmöntuontia. Vaikutus on erityisen suuri iskusitkeyteen, kun taas lujuus ei ole niin herkkä suurelle lämmöntuonnille, ellei ole lujitettu muokkaamalla. Lämmöntuonnin rajoitustarve on sitä suurempi, mitä vaativamman iskusitkeysluokan, korkeamman lujuusluokan ja pienemmän ainevahvuuden teräslajista on kyse. Tästä syystä teräksille annetaan usein lämmöntuontisuosituksia, esimerkiksi lujalle ja kylmäsitkeälle teräkselle maksimi lämmöntuonnin arvo on 2,5-3,0 kj/mm, kun halutaan varmistaa riittävä iskusitkeys muutosvyöhykkeelle. (Lukkari 2002, 32; Härkönen 1993, 10.) 30

38 8.2 DOMEX 700 MC -teräksen ominaisuuksia DOMEX -kylmämuokatut teräkset ovat termomekaanisesti valssattu nykyaikaisissa tehtaissa, joissa lämmitys-, valssaus- ja jäähdytysprosessit ovat tarkkaan kontrolloituja (DOMEX 700 MC 2008). Terästen merkinnässä tunnus M tarkoittaa, että teräs on termomekaanisesti valssattu, mikä on näiden terästen toimitustila. Tunnus C puolestaan tarkoittaa kylmämuovattavaksi soveltuvaa terästä standardin EN mukaisesti. (Kuumavalssatut teräslevyt ja kelat 2007.) Kemiallinen koostumus ja mekaaniset ominaisuudet Taulukossa 4 on esitetty teräksen DOMEX 700 MC seosaineiden prosentuaaliset osuudet. Taulukossa on huomioitava, että niobiumin (Nb), vanadiinin (V) ja titaanin (Ti) yhteenlaskettu määrä saa olla korkeintaan 0,22 %. (DOMEX 700 MC 2008.) Taulukko 4. Teräksen DOMEX 700 MC seosaineiden prosentuaaliset osuudet (DOMEX 700 MC 2008). C max. Si max. Mn max. P max. S max. Al min. Nb max. V max. Ti max. 0,12 0,10 2,10 0,025 0,010 0,015 0,09 0,20 0,15 Taulukossa 5 on esitetty teräksen DOMEX 700 MC mekaanisia ominaisuuksia. Taulukko 5. Teräksen DOMEX 700 MC mekaanisia ominaisuuksia (DOMEX 700 MC 2008). Alempi myötöraja Alempi myötöraja Murtoraja R m Murtovenymä A 80 Murtovenymä A 5 R eh min. (MPa) R eh min.(mpa) (MPa) min.- max. min. (%) min. (%) t < 8 mm t > 8 mm t < 3mm t >= 3mm

39 8.2.2 Hitsattavuus Hiiliekvivalentin arvo (CEV) lasketaan kaavalla CEV = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15 (%). DOMEX 700 MC -teräksen keskimääräinen hiiliekvivalentin arvo on noin 0,31 % (Kuva 17). Matala rikkipitoisuus ja alhainen hiiliekvivalentin arvo pienentävät DOMEX - terästen riskiä kuumahalkeiluun ja kylmähalkeiluun. (Welding of DOMEX MC cold-forming steels 2008.) Kuva 17. DOMEX -kylmämuovattavien terästen (HS ja EHS) hiiliekvivalentin arvoja verrattuna S355J2G3 -teräkseen, aineenvahvuus on 6 mm. HS=high strength= korkea lujuus, EHS=the extra-high strenght= erittäin korkea lujuus, Yield strenght = myötölujuus (Welding of DOMEX MC cold-forming steels 2008). Matala hiili-, fosfori-, ja rikkipitoisuus mahdollistavat kaikki tavanomaiset hitsausmenetelmät DOMEX 700 MC -teräksen hitsaukseen. Esilämmitystä ei tarvita DOMEX 700 MC -teräksen hitsauksessa. Jännityksenpoistohehkutusta voidaan käyttää lämpötila-alueella C. Lämpökäsittelyt, jotka tapahtuvat tätä lämpötila-aluetta ylempänä, vähentävät lujuutta. Siten niitä tulee ehdottomasti välttää. DOMEX 700 MC -teräksen hitsausliitoksen muutosvyöhykkeelle muodostuu kapea, perusainetta pehmeämpi vyöhyke. Jos käytetään normaaleja hitsausparametrejä ja hitsausprosesseja, niin muutosvyöhykkeen pehmenemisellä ei ole käytännössä merkitystä. Lisäaineena DOMEX 700 MC -teräksen hitsauksessa voidaan käyttää esimerkiksi Esab Oy:n MAG-umpilankaa OK AutRod 13.13, OK ja OK (DOMEX 700 MC 2008.) 32

40 8.3 WELDOX 700 -teräksen ominaisuuksia WELDOX 700 on yleinen rakenneteräs, jolla on hyvät kylmätaivutusominaisuudet. WELDOX 700 -teräs toimitetaan karkaistuna ja päästettynä. Lajitunnukset ovat WELDOX 700 D, jossa on iskusitkeystakuu -20 C lämpötilassa WELDOX 700 E, jossa on iskusitkeystakuu -40 C lämpötilassa WELDOX 700 F, jossa on iskusitkeystakuu -60 C lämpötilassa. (WELDOX 700 tekniset tiedot 1996.) Kemiallinen koostumus ja mekaaniset ominaisuudet Taulukossa 6 on esitetty teräksen WELDOX 700 seosaineiden prosentuaaliset osuudet. Teräs on hienoraekäsitelty ja mikroseostettu vähintään 0,040 %:lla alumiinia (Al), vanadiinia (V), niobiumia (Nb), titaania (Ti) tai vastaavalla aineella. (WELDOX 700 tekniset tiedot 1996.) Taulukko 6. WELDOX 700 -teräksen seosaineiden prosentuaaliset osuudet. Tarkoituksenmukaiset seosaineet on merkitty taulukkoon * merkillä. (WELDOX 700 tekniset tiedot 1996). C* max. Si* max. Mn* max. P max. S max. B* max. Nb* max. Cr* max. V* max. Cu* max. Ti* max. Al* min. Mo* Max Ni* max. N max. 0,20 0,6 1,60 0,020 0,010 0,005 0,04 0,70 0,09 0,30 0,04 0,015 0,70 2,0 0,015 Taulukossa 7 on esitetty WELDOX 700 -teräksen mekaanisia ominaisuuksia. Vetokokeena on käytetty poikittaisvetokoetta. Jos käytetään pitkittäisvetokoetta, murtovenymän arvot ovat kaksi prosentti yksikköä korkeammat. (WELDOX 700 tekniset tiedot 1996.) Taulukko 7. Teräksen WELDOX 700 mekaanisia ominaisuuksia (WELDOX 700 tekniset tiedot 1996). Levyn paksuus (mm) Myötöraja R p0,2 min. (MPa) Murtoraja R m (MPa) Murtovenymä A 5 min. (%) Murtovenymä A 50 min. (%)