Hitsauksen laatu Rikkova aineenkoetus menetelmäkokeessa Lapin AMK TeLu Eri lähteistä koonnut Timo Kauppi 2016 1
2
Hitsauksen laatua 3
Yleistä Erilaisilla materiaalien aineenkoetusmenetelmillä tutkitaan materiaalien käyttäytymistä ja ominaisuuksia, kuten esimerkiksi terästen lujuutta, kovuutta, iskusitkeyttä, taivutus- ja väsymislujuutta, mikrorakennetta, jne. Aineenkoetus jaetaan ainetta rikkomattomaan (engl. NDT = Non Destructive Testing) ja ainetta rikkovaan (engl. DT = Destructive Testing) testaukseen.
Yleistä Ainetta rikkomattomia aineenkoetusmenetelmiä ovat mm. silmämääräinen tarkastus, radiografinen kuvaus (röntgen läpivalaisu), ultraäänitarkastus, magneettijauhetarkastus, tunkeumanestetarkastus, pyörrevirtatarkastus, jäljennetarkastus ja akustinen emissio. Ainetta rikkovia aineenkoetusmenetelmiä taasen ovat mm. vetokoe, kovuusmittaus, iskukoe, taivutuskoe, murtokoe, väsytyskoe ja virumiskoe. Metallisten materiaalien aineenkoetus on pitkälti standardisoitu kansainvälisillä standardeilla.
Yleistä Hitsauksen yhteydessä aineenkoetus on välttämätön laadunhallinnan kannalta. Laatuvaatimusten määrittäminen hitsausprosesseille on tärkeätä, koska näitä prosesseja ei voida valmiiksi todentaa. Näin ollen hitsausprosesseja on käsiteltävä standardin ISO 9000:2000 mukaisesti erikoisprosesseina. Tuotteille, joiden tulee toimia ongelmattomasti tuotannossa ja käytössä, on välttämätöntä tehdä valvontaa suunnitteluvaiheessa, materiaalivalinnassa, valmistuksessa ja tarkastuksessa.
Yleistä Hitsauksen laadunvarmistus vaatii yhä useammin hyväksyttyjen hitsausohjeiden (WPS, Welding Procedure Specification) laadintaa ja käyttöä. Viimeisin normimuutos joka laajensi hyväksyttyjen hitsausohjeiden käytön myös kantavien teräsrakenteiden valmistukseen, oli Suomessa usean vuoden siirtymäajan jälkeen 1.7.2014 voimaan astunut teräsrakenteiden CE merkintä. Tähän liittyen julkaistiin SFS-EN ISO 1090 standardisarja, jossa on määritelty teräs- ja alumiinirakenteiden toteutuksen tekniset vaatimukset.
Yleistä Hitsausohjeita voidaan hyväksyä usealla eri tavalla. Mahdollisia hyväksymistapoja ovat: menetelmäkoe (SFS-EN ISO 15614-1 14) esituotannollinen koe (SFS-EN ISO 15613) aiempi kokemus (SFS-EN ISO 15611) testatut lisäaineet (SFS-EN ISO 15610) standardihitsausohjeet (SFS-EN ISO 15612) Hitsausmetallurgian ja lujuuslaskennan kannalta paras vaihtoehto on tehdä hyväksyntä menetelmäkokeella.
Menetelmäkoe Menetelmäkoe antaa hyvät tiedot hyväksyttävän ohjeen mukaisesti hitsatun liitoksen ominaisuuksista ja parhaat mahdollisuudet ohjeen mukaisesti hitsatun liitoksen käyttökelpoisuuden arviointiin. Menetelmäkokeella tehty hyväksyntä antaa yleensä myös laajimman käyttöalueen hyväksyttävälle hitsausohjeelle.
Menetelmäkoe SFS-EN ISO 15614-1:2012 10
Menetelmäkoe Perusaineryhmät: CEN ISO/TR 15608:2013 SFS-EN ISO 15614-1:2012 11
Hitsien vetokoe Hitsiliitokselle tehtävä poikittainen vetokoe on määritelty standardissa SFS-EN ISO 4136:2012. Standardissa annetaan koesauvojen mitat ja esitetään poikittaisen vetokokeen suoritustapa, jota käytetään hitsattujen päittäisliitosten murtolujuuden ja murtuman sijainnin määrittämiseen. Standardissa SFS-EN ISO 6892-1:2009 määritellään metallien vetokokeen suorittaminen huoneenlämpötilassa sekä siinä määritettävät mekaaniset ominaisuudet.
Hitsien vetokoe Vetokokeen suorituksen periaate on yksinkertainen: tunnetun poikkipinta-alan omaavaa koesauvaa vedetään kasvavalla voimalla kunnes se katkeaa. Kokeen aikana rekisteröidään voima (F) ja sen vaikutuksesta syntyvä pysyvä muodonmuutos eli venymä (e). Seuraavassa diassa on esitetty vetokokeessa rekisteröitävän jännitys-venymäkäyrän periaatekuva sellaiselle metalliseokselle, jolla on epäjatkuva myötöraja. http://lrrpublic.cli.det.nsw.edu.au/lrrsecure/sites/lrrview/6448/applets/tensile_tester.htm
Vetokoe SFS-EN ISO 6892-1:2009
Hitsien poikittainen taivutuskoe Hitsiliitokselle tehtävän taivutuskokeen suoritus on määritelty standardissa SFS-EN ISO 5173:2011. Kokeen periaate on seuraava: poikittain tai pitkittäin hitsausliitoksesta otettuun koesauvaan aiheutetaan taivuttamalla pysyvä muodonmuutos vaihtamatta taivutussuuntaa niin, että joko hitsausliitoksen pinta tai poikkileikkaus on vedon puolella.
Hitsien poikittainen taivutuskoe
Hitsien poikittainen taivutuskoe Menetelmäkoestandardissa hitsin taivutuskokeesta määritellään seuraavasti: Kun aineenpaksuus on < 12 mm, testataan kaksi juuritaivutussauvaa (TRBB) ja kaksi pintataivutussauvaa (TFBB). Kun aineenpaksuus on 12 mm, suositellaan juuri- ja pintataivutuskoesauvojen tilalle neljä sivutaivutuskoesauvaa (SBB). Eripariliitoksissa tai kun hitsiaine poikkeaa perusaineesta, voidaan levyn päittäisliitoksen neljä poikittaista taivutuskoetta korvata yhdellä pitkittäisellä juuritaivutuskokeella (LRBB) ja yhdellä pitkittäisellä pintataivutuskokeella (LFBB)
Hitsien poikittainen taivutuskoe Kokeen aikana koesauvoihin ei saa syntyä missään suunnassa yli 3 mm suuruisia avoimia vikoja. Taivutuskoesauvan nurkissa olevia virheitä ei tarvitse ottaa huomioon arvostelussa.
Hitsien iskukoe Iskusitkeys on ominaisuus, joka on kenties eniten sidoksissa metallin kiderakenteeseen. Terästen kiderakenne on pääsääntöisesti tila- tai pintakeskinen kuutiollinen ja kun tarkastellaan näiden kiderakenteiden murtumiskäyttäytymistä matalissa lämpötiloissa, havaitaan siinä selkeä ero: pintakeskisen kuutiollisen kiderakenteen omaavalla teräksellä (esimerkiksi austeniittinen ruostumaton teräs) lämpötila ei juurikaan vaikuta siihen, kun taas tilakeskisen kuutiollisen kiderakenteen omaavilla teräksillä murtumiskäyttäytyminen muuttuu sitkeästä hauraaksi lämpötilan laskiessa.
Hitsien iskukoe Sitkeässä murtumassa (engl. ductile fracture) rakenne kuroutuu eli kappaleen poikkipinta pienenee selvästi ennen murtumista alla olevan kuvan mukaisesti - murtuman eteneminen vaatii paljon energiaa ja särönkasvu on hidasta.
Hitsien iskukoe Haurasmurtumassa (engl. brittle fracture) rakenteessa ei esiinny kuroutumista ja murtumiseen vaadittava energia on huomattavasti pienempi kuin sitkeässä murtumassa. Teräs voi murtua todella nopeasti ja lasimaisen hauraasti, jopa tasaisessa, mutta yleensä iskumaisessa kuormituksessa.
Hitsien iskukoe Iskusitkeys on yksi materiaalinvalinnan tärkeimpiä kriteereitä. Mitä parempi iskusitkeys teräksellä on, sitä vaikeammat olosuhteet, suuremmat jännityskeskittymät ja kookkaammat alkusäröt se kestää. Iskusitkeyden ja transitiolämpötilan määrittämiseksi on käytössä useita eri menetelmiä. Yleisesti käytetyt Charpy V (CVN), Charpy U (CUN) kokeet (engl. Charpy pendulum impact test) ovat murtumaan sitoutuneen energian mittaamiseen perustuvia testimenetelmiä.
Hitsien iskukoe Menetelmäkokeeseen liittyvä iskukoe on määritelty standardeissa SFS-EN ISO 9016:2012 ja SFS-EN ISO 148 1:2011. Ensimmäisessä määritellään koesauvan sijainti, loven suunta ja koesauvan tarkastus ja jälkimmäisessä itse menetelmä. Yleiskoesauvan pituus on 55 mm ja poikkipinta neliö, jonka sivut ovat 10 mm Pituuden puolivälissä on oltava V- tai U-lovi. V-loven kulman on oltava 45, syvyyden 2 mm ja loven pohjan pyöristyssäteen 0,25 mm.
Hitsien iskukoe 24
Hitsien iskukoe Charpyn iskukokeessa koesauva asetetaan huolellisesti tukia vasten siten, että loven symmetriataso on 0,5 mm tarkkuudella tukien keskellä. Iskurin on iskettävä koesauvan loven symmetriatasoon vastakkaiselle puolelle lovea. Yleensä terästen iskusitkeyttä testattaessa koelämpötila on välillä -20-60 C. Koesauvan jäähdytys voi tapahtua nestemäisessä tai kaasumaisessa väliaineessa.
Hitsien iskukoe Testattaessa muussa kuin huoneenlämpötilassa, koesauvan poistamisesta kuumennus- tai jäähdytysväliaineesta sen iskemiseen iskurilla saa kulua enintään viisi sekuntia. Kun siirtäminen tehdään manuaalisesti, on aina olemassa riski satunnaisen virheen syntymisestä. Riski kasvaa, kun testauslämpötilan poikkeama huoneenlämpötilasta kasvaa. Paras vaihtoehto on käyttää mekanisoitua siirtolaitteistoa.
Hitsien iskukoe
Hitsien kovuuskoe Hitsausliitoksille sovelletaan yleensä Vickersin tai Brinellin kovuuskoetta. Kaarihitsausliitosten kovuuskoe on määritelty standardissa SFS-EN ISO 9015 1:2011. Sen perusteella tehtävät kovuuskokeet suoritetaan standardien ISO 6507-1 tai ISO 6506-2 mukaisesti. Hitsien kovuuskokeessa koekappaleeseen tehdään painumia, jotka on tehty riveinä tietylle etäisyydelle pinnasta niin, että hitsausliitoksen kovuuden arviointi on näiden painumarivien tai osarivien avulla mahdollista.
Hitsien kovuuskoe Painumien lukumäärän ja painumarivin peräkkäisten painumien välisen etäisyyden on oltava riittävä hitsauksen aiheuttamien kovettuneiden tai pehmenneiden alueiden määrittämiseksi. 29
Hitsien kovuuskoe Painumia on tehtävä riittävästi, jotta rakenteeltaan muuttumaton perusaine saadaan testattua. Hitsiaineessa painumien välinen etäisyys on valittava ja tarkastettava siten, että kovuuskokeesta saatavat tulokset tekevät hitsausliitoksen arvioinnin mahdolliseksi. Seuraavassa diassa olevassa kuvassa on esitetty tyypilliset erillispainumien sijaintialueet: painumaryhmä 1-4 antaa tietoa rakenteeltaan muuttumattomasta perusaineesta, painumaryhmä 5-10 koskee muutosvyöhykettä (HAZ) ja painumaryhmä 11 14 hitsiainetta.
Hitsien kovuuskoe 31
Makrohie Hitsien makro- ja mikrohietutkimus on määritelty standardissa SFS-EN ISO 17639:2013. Makro- ja mikrohietutkimusta käytetään hitsausliitoksen makroskooppisten ja mikroskooppisten ominaisuuksien selvittämiseen ja se tehdään tavallisesti poikkileikkauspinnoille. Makro- ja mikrohietutkimuksen tarkoituksena on arvioida hitsausliitoksen rakennetta (mukaan lukien raerakenne, morfologia ja sijainti, erkautuminen ja sulkeumat) riippumattomana ja/tai suhteessa erilaisiin halkeamiin tai onteloihin.
Makrohie Mikrokuva antaa yksityiskohtaisempaa tietoa teräksen ja hitsin mikrorakenteesta. Haluttaessa tarkastella pieniä yksityiskohtia voidaan hyödyntää elektronimikroskopiaa, silloin kun se on mahdollista.
ASM / DT - laboratorio Lapin ammattikorkeakoulussa toimivan Arctic Steel and Mining TKI ryhmän ainetta rikkovan aineenkoetuksen laboratorio toimii Kemissä. Peruslaitekanta on seuraava: Zwick & Roell Z250 allround vetokone, max. Voima 250kN Zwick Roell PSW750 iskuvasara Struers A2500 yleiskovuusmittari Leica IDM 5000M valomikroskooppi Quanta 450 FEG FESEM mikroskooppi + Thermo Nora System 312E EDS alkuaineanalysaattori.
ASM / DT - laboratorio Veto-, taivutus- ja iskukoesauvat tehdään yhteistyössä ammattiopisto Lappian kanssa. Toiminta on laboratoriostandardin EN ISO/IEC 17025:2005 mukaista. Voimme tehdä mm. SFS-EN 1090-2:2012 liityvien menetelmäkokeiden rikkovan aineenkoetuksen.
Excellence in metallurgy 36
Yhteystiedot Lapin ammattikorkeakoulu, Tietokatu 1, 94600 Kemi JaloteräsStudio, Etappitie 4, 95400 Tornio Ryhmän vetäjä, Rauno Toppila, puh. 050 310 9542 Yliopettaja, Timo Kauppi, puh. 050 438 1287 37
Ja tämänkin luennon teille tarjosi: