Säde-, hybridi- ja kitkahitsauksen laatukysymykset Hitsauksen laatu päivät Turku, 31.10 1.11.2018 Mika Sirén, VTT Oy 31.10.2018 VTT beyond the obvious 1
Sisältö 1. Kaari- ja sädehitsaus, laserhybridihitsaus a. Sulahitsien laatuvaatimukset b. Säde- ja laserhybridihitsaus c. Hitsausvirheet: Pintavirheet, Sisäiset hitsausvirheet, Hitsausliitokseen kohdistuvat virheet, Useat samassa poikkileikkauksessa esiintyvät virheet 2. Kitkahitsaus pyörivällä työkalulla, Friction Stir Welding, FSW a. FSW-standardit ja -hitsausohje b. FSW-hitsausvirheet: pinta ja juuri, hitsausprosessi, hooking, sisäiset virheet, kauhugalleria 3. Yhteenveto 31.10.2018 VTT beyond the obvious 2
Kaari- ja sädehitsaus, laserhybridihitsaus 31.10.2018 VTT beyond the obvious 3
Sulahitsien laatuvaatimukset Mitkä ovat merkittävimmät erot sulahitsausmenetelmien välillä? Vertailu vain teräksen hitsauksen pohjalta Alumiinilla erot samansuuntaisia? SFS-EN ISO 5817 Hitsaus. Teräksen, nikkelin, titaanin ja niiden seosten sulahitsaus (paitsi sädehitsaus). Hitsiluokat. Welding. Fusion-welded joints in steel, nickel, titanium and their alloys (beam welding excluded). Quality levels for imperfections (ISO 5817:2014) SFS-EN ISO 12932. Welding. Laser-arc hybrid welding of steels, nickel and nickel alloys. Quality levels for imperfections (ISO 12932:2013) SFS-EN ISO 13919-1 Welding. Electron and laser beam welded joints. Guidance on quality levels for imperfections. Part 1: Steel (ISO 13919-1:1996) 31.10.2018 VTT beyond the obvious 4
Säde- ja laserhybridihitsaus Sädehitseille (laser- ja elektronisuihkuhitsaus) kaksi standardia: Sekä teräksen että alumiinin hitsaukseen (SFS-EN ISO 13919-1 & 2) Kattavat myös lisäaineellisen sädehitsauksen Hybridihitsauksen määritelmä (SFS-EN ISO 12932): Hybridihitsaus on menetelmä, jossa kahta tai useampaa hitsausprosessia käytetään samanaikaisesti samassa hitsisulassa Standardi SFS-EN ISO 12932 kattaa laser-kaari-hybridihitsauksen Yleisimmin käytössä laser-mag-hitsaus Standardi kattaa teräksen, nikkelin ja nikkeliseosten hitsauksen 31.10.2018 VTT beyond the obvious 5
Hitsausvirheet 1: Pintavirheet Hitsausvirhe ISO 6520-1 Sulahitsaus ISO 5817 Hybridihitsaus ISO 12932 Sädehitsaus ISO 13919-1 104 kraatterihalkeama Ei sallittu D: sallittu D: sallittu 5011, 5012 reunahaavat B: ei sallittu 3 mm B: lyhyt sallittu Sallittu, max. mitat 5013 juurenpuolen reunahaava B: ei sallittu 3 mm B: lyhyt sallittu Sallittu, max. mitat 502 504 korkea kupu pinta/juuri Sallittu, max. mitat Sallittu, max. mitat Sallittu, max. mitat 505 jyrkkä liittyminen Raja-arvot päittäis/piena - - 5061, 5062 valuma pinta / pohja D: sallittu D: sallittu - 509, 511 vajonnut hitsi, vajaa kupu B: ei sallittu 3 mm B: ei sallittu 3 mm Sallittu, raja-arvot 515 vajaa juuri B: ei sallittu 3 mm Väljemmät rajat > 3 mm Sallittu, raja-arvot 517 uudelleenaloitusvirhe D: sallitaan - - 5214 liian suuri a-mitta Sallittu; raja-arvot B ja C - - 601, 602 sytytysjälki, roiskeet D: sallitaan - Roiskeet sovelluskoht. 31.10.2018 VTT beyond the obvious 6
Hitsausvirheet 2: Sisäiset hitsausvirheet Hitsausvirhe ISO 6520-1 Sulahitsaus ISO 5817 Hybridihitsaus ISO 12932 Sädehitsaus ISO 13919-1 200, 2011, 2012 huokoset %-osuus pinta-alasta + d max huokoselle 2013 huokosryhmä Huokoset kattavan ympyrän pinta-ala 2014 huokosjono Huokosten d max ja kannaksen leveys 2015, 2016 pitkänomainen ja madonreikähuokonen Raja-arvot h max %-osuus pinta-alasta + väljemmät mm-rajat, d max sama %-osuus pinta-alasta + d max yksittäiselle %-osuus pinta-alasta + d max yksittäiselle Väljemmät rajat, h max sama %-osuus pinta-alasta + l max huokoselle %-osuus pinta-alasta + l max huokoselle + max. väli %-osuus pinta-alasta + l max huokoselle + max. väli 300 3042 sulkeumat Raja-arvot samat Raja-arvot samat Ei relevantti 401 4013 liitosvirheet D: sallittu, rajat samat D: sallittu, rajat samat D: sallittu, tiukemmat rajat 402 vajaa hitsautumissyvyys D: sallittu; osatunkeumapiena ja päittäis-: sallittu C D: sallittu, rajat; 2-puol. osatunkeuma-t: sallittu C - D: täystunkeuma sallittu, rajat samat; osatunkeuma: sallittu, raja-arvot 31.10.2018 VTT beyond the obvious 7
Hitsausvirheet 3&4: Hitsausliitokseen kohdistuvat virheet, Useat samassa poikkileikkauksessa esiintyvät virheet Hitsausvirhe ISO 6520-1 Sulahitsaus ISO 5817 Hybridihitsaus ISO 12932 Sädehitsaus ISO 13919-1 507 508 sovitusvirheet Kulmapoikkeama ei määr. Kulmapoikkeama määrit. Kulmapoikkeama ei määr. 617 sovitusvirhe pienahitsissä Vain 1-puolinen 1- ja 2-puolinen Ei määritetty; viittaus: 5817 mukaan Poikkeama hitsilinjalta (kohdistus/kallistusvirhe) Useat samassa poikkileikkauksessa esiintyvät virheet (ei ISO 6520-1) Projisoitu ala tai poikkipinta-ala pituussuunnassa (ei ISO 6520-1) - - Sallittu, raja-arvot + h max 3 mm ei sallittu; > 3 mm raja-arvo + d max yksittäiselle %-osuus tarkastusalueesta tai virheen pituus + kannas 3 mm ei sallittu; > 3 mm raja-arvo + d max yksittäiselle %-osuus tarkastusalueesta tai virheen pituus + kannas - - 31.10.2018 VTT beyond the obvious 8
Kitkahitsaus pyörivällä työkalulla Friction Stir Welding, FSW 31.10.2018 VTT beyond the obvious 9
Friction Stir Welding, FSW University of North Dakota, Advanced Engineered Materials Center. 2018. Friction Stir Welding. https://engineering.und.edu/research/aemc/fsw.php (25.10.2018) Nuclear Engineering International. 2014. Welding stir-up, https://www.neimagazine.com/features/featurewelding-stir-up-4363560/ (25.10.2018) 31.10.2018 VTT beyond the obvious 10
FSW-standardit Hitsausohje on hyväksyttävä ennen tuotantohitsausta Pohjautuu tuotantokelpoiseen alustavaan hitsausohjeeseen (pwps) pwps pohjalta laaditaan hitsausmenetelmän hyväksymispöytäkirja (WPQR) pwps hyväksytään joko menetelmäkokeella (welding procedure test) tai esituotannollisella kokeella (pre-production welding test) WPQR perusteella hyväksytään hitsausohje (welding procedure specification WPS) WPS pätevyysalueet ja toleranssit määritellään tarvittaessa standardien ja/tai kokemuksen pohjalta = Samanlainen periaate ja prosessi kuin sulahitsauksessa! 31.10.2018 VTT beyond the obvious 11
FSW-standardit Standardisarja SFS-EN ISO 25239 Friction stir welding. Aluminium Osa 1: Sanasto (Vocabulary) Osa 2: Liitosten suunnittelu (Design of weld joints) Osa 3: Operaattorien pätevöinti (Qualification of welding operators) Osa 4: Hitsausohjeet ja niiden hyväksyntä (Specification and qualification of welding procedures) Osa 5: Laatu- ja tarkastusvaatimukset (Quality and inspection requirements) Osa 5: Ei varsinaista laatuluokitusta, vain hyväksytty / hylätty Vrt. sulahitsien laatuluokat D, C, B Ei päde kitkapistehitseille! 31.10.2018 VTT beyond the obvious 12
FSW-hitsausohje Työkalun tunnistaminen (kuva tarvittaessa) Työkalu on merkittävä pysyvästi ja sen kulumista on seurattava Kiinnitysjärjestelyt (kuva tarvittaessa) (p)wps: hitsausparametrit Työkalun pyörimisnopeus [r/min] (Tool motion, rotation speed) Työkalun tunkeuma [mm] tai pystyvoima [kn] (Plunge depth or axial force) Työkalun kallistukulma hitsaussuuntaan [ ] (Tilt angle) Työkalun sivukallistuskulma [ ] (Side tilt angle) Pitoaika ennen hitsauksen aloitusta (kuljetusliike) [s] (Dwell time) Hitsausnopeus [mm/min] (Welding speed) 31.10.2018 VTT beyond the obvious 13
FSW: hitsausvirheet SFS-EN ISO 25239-5 Virhetyyppi Testaus Hyväksymisraja ISO 6520-1 Vajaa hitsautumissyvyys juuressa ME ei hyväksytä - (4021) Korkea juurikupu VT, ME h 3 mm 504 Rajaviivan purse VT, ME määritetään tarvittaessa - Tasomainen sovitusvirhe VT, ME h 0.2t tai 2 mm 507 Vajonnut hitsi / vajaa kupu VT, ME h 0.2 mm + 0.1t (t 2 mm); h 0.15t (t < 2 mm) - (509, 511) Epäsäännöllinen hitsin leveys VT määritetään tarvittaessa 513 Epätasainen hitsin pinta VT määritetään tarvittaessa 514 Ontelo ME d 0.2s tai 4 mm 200 Koukku (hook): rajapinnan kääntyminen ME määritetään tarvittaessa - 31.10.2018 VTT beyond the obvious 14
FSW-hitsausvirheet: pinta ja juuri 31.10.2018 VTT beyond the obvious Courtesy of Pedro Vilaça, Aalto University 15
FSW-hitsausvirheet: hitsausprosessi 31.10.2018 VTT beyond the obvious Courtesy of Pedro Vilaça, Aalto University 16
FSW-hitsausvirheet: hooking 31.10.2018 VTT beyond the obvious Courtesy of Pedro Vilaça, Aalto University 17
FSW-hitsausvirheet: sisäiset virheet 31.10.2018 VTT beyond the obvious Courtesy of Pedro Vilaça, Aalto University 18
FSW-hitsausvirheet: kauhugalleria 31.10.2018 VTT beyond the obvious Courtesy of Pedro Vilaça, Aalto University 19
Lopuksi 31.10.2018 VTT beyond the obvious 20
Yhteenveto Laserhybridi- ja muun sulahitsauksen (kaarihitsaus) hitsiluokat ja hyväksymisrajat hyvin samankaltaisia (SFS-EN ISO12932 ja 5817) Hybridille pienat määritelty kattavammin (täys- ja osatunkeuma, 1- ja 2-puolinen) Paikoin väljennyksiä vikakokoihin Sädehitseillä lukumääräisesti vähemmän hyväksymiskriteerejä/-rajoja Sovelletaan tarvittaessa osin myös SFS-EN ISO 5817, erityisesti pienoilla FSW-hitsausohjeen hyväksyntäprosessi samankaltainen kuin sulahitseillä FSW-standardi ei määritä hitsiluokkia: vain hyväksytty tai hylätty Standardit kattavasti saatavilla, mutta vain alumiinille ( soveltaen muillekin?) Kiitokset: prof. Pedro Vilaça, Aalto-yliopisto 31.10.2018 VTT beyond the obvious 21
Lähteet Tulokset Kujanpää, Veli; Kortelainen, Olli; Ion, John; Vartia, Pekka; Hyppölä, Tero. 1996. Laser- ja EB-hitsien menetelmäkokeet. Espoo, VTT. 259 s. VALB 168 Mononen, Jukka; Savolainen, Kati; Saukkonen, Tapio; Hänninen, Hannu; Api, Marko; Keinänen, Heikki; Martikainen, Hannu; Tervo, Jyrki; Sirén, Mika. 2008. Friction Stir Welding, STIR - Final report. Teknillinen korkeakoulu, koneenrakennustekniikan laitos, Espoo. 100 p. TKK Raportti K-2/08 Kuvat Nuclear Engineering International. 2014. Welding stir-up, https://www.neimagazine.com/features/featurewelding-stir-up-4363560/ (25.10.2018) University of North Dakota, Advanced Engineered Materials Center. 2018. Friction Stir Welding. https://engineering.und.edu/research/aemc/fsw.php (25.10.2018) 31.10.2018 VTT beyond the obvious 22
Lähteet Esityksessä käytetyt standardit: SFS-EN ISO 12932. Welding. Laser-arc hybrid welding of steels, nickel and nickel alloys. Quality levels for imperfections (ISO 12932:2013) SFS-EN ISO 13919-1. (Hitsaus. Elektronisuihku- ja laserhitsatut liitokset. Hitsiluokat. Osa 1: Teräs.) Welding. Electron and laser beam welded joints. Guidance on quality levels for imperfections. Part 1: Steel (ISO 1391 9-1:1996) SFS-EN ISO 13919-2. (Hitsaus. Alumiinin sädehitsaus. Hitsiluokat.) Welding. Electron and laser beam welded joints. Guidance on quality levels for imperfections. Part 2: Aluminium and its weldable alloys (ISO 13919-2:2003) SFS-EN ISO 25239-1. Friction stir welding. Aluminium. Part 1: Vocabulary (ISO 25239-1:2011) SFS-EN ISO 25239-2. Friction stir welding. Aluminium. Part 2: Design of weld joints (ISO 25239-2:2011) SFS-EN ISO 25239-3. Friction stir welding. Aluminium. Part 3: Qualification of welding operators (ISO 25239-3:2011) SFS-EN ISO 25239-4. Friction stir welding. Aluminium. Part 4: Specification and qualification of welding procedures (ISO 25239-4:2011) SFS-EN ISO 25239-5. Friction stir welding. Aluminium. Part 5: Quality and inspection requirements (ISO 25239-5:2011) 31.10.2018 VTT beyond the obvious 23
Lähteet Muita standardeja: SFS-EN ISO 15609-3. Specification and qualification of welding procedures for metallic materials. Welding procedures specification. Part 3: Electron beam welding (ISO 15609-3:2004) SFS-EN ISO 15609-4. Specification and qualification of welding procedures for metallic materials. Welding procedures specification. Part 4: Laser beam welding (ISO 15609-4:2009) SFS-EN ISO 15609-6. Specification and qualification of welding procedures for metallic materials. Welding procedure specification. Part 6: Laser-arc hybrid welding (ISO 15609-6:2013) SFS-EN ISO 15614-11. Specification and qualification of welding procedures for metallic materials. Welding procedure test. Part 11: Electron and laser beam welding (ISO 15614-11:2002) SFS-EN ISO 10042. Hitsaus. Alumiinin ja alumiiniseosten kaarihitsaus. Hitsiluokat (ISO 10042:2005) SFS-EN ISO 13919-2. Welding. Electron and laser beam welded joints. Guidance on quality levels for imperfections. Part 2: Aluminium and its weldable alloys (ISO 13919-2:2001) 31.10.2018 VTT beyond the obvious 24
Kiitos! 31.10.2018 VTT beyond the obvious 25