Tämän teoksen osittainenkin kopiointi on tekijänoikeuslain (404/61, siihen myöhemmin tehtyine muutoksineen) mukaisesti kielletty ilman nimenomaista lupaa. Lupia teosten osittaiseen valokopiointiin myöntää tekijöiden ja kustantajien valtuuttamana KOPIOSTO ry. Muuhun käyttöön luvat on kysyttävä suoraan kunkin teoksen oikeudenhaltijoilta. LINJA JULKAISIJA KUSTANTAJA JA MYYNTI Liittämistekniikka Metalliteollisuuden Keskusliitto, MET Metalliteollisuuden Kustannus Oy Eteläranta 10, 4. krs 00130 HELSINKI puh. (09) 19231/julkaisumyynti http://www.met.fi/kustannus ISBN 951-817-695-7 MET-julkaisuja nro 2/1999 Metalliteollisuuden Kustannus Oy Kansi: Mainostoimisto Avalon Oy, Kemi Taitto: H-Hetki Oy Painopaikka: Gummerus Kirjapaino Oy, Jyväskylä 1999 HUOM. Kirjan taulukoissa on käytetty suomalaisesta käytännöstä poiketen pistettä erottamaan kokonais- ja desimaaliosaa toisistaan. 2
Esipuhe Kirja kertoo ruostumattomien terästen hitsauksesta teräsmateriaalien, hitsaustutkimuksen ja hitsaustekniikan pohjalta. Se on toisaalta käytännön tarpeen ilmentymä, mutta myös kirjoittajien oman intohimon ja pitkän kokemuksen tulos. Suomen kielellä tämä on ensimmäinen ruostumattomien terästen hitsausta laajasti ja monipuolisesti käsittelevä kirja. Englannin ja saksan kielellä on julkaistu lähinnä teräksiin ja hitsausmetallurgiaan keskittyviä teoksia. Hitsaustekniikka ja ruostumattomat teräkset kehittyvät nopeasti, joten kirjojen sisältökin vanhenee samassa tahdissa. Tämän kirjan rakenne on kolmijakoinen. Ensin esitellään ruostumattomattomat teräkset sekä ruostumattomien terästen hitsauksessa tapahtuvia fysikaalisia, kemiallisia ja metallurgisia ilmiöitä. Näiden perustietojen pohjalta siirrytään ruostumattomien terästen hitsattavuuden eli hitsauksen tarkasteluun materiaaliteknisestä näkökulmasta. Sen jälkeen esitellään hitsausprosessit, hitsausaineet ja hitsauksen suoritustekniikka sekä hitsauksen laadunvarmistus ja työturvallisuus. Lopuksi käsitellään erilaisten eripariliitosten hitsausta. Kirjassa on hyödynnetty niin ulkomaista kuin kotimaistakin kirjallisuutta ja tietoa ja pyritty muokkaamaan tiedon sisältö suomalaisille lukijoille ja terästen käyttäjille sopivaksi. Eurooppalainen standardointi on voimakkaasti muuttamassa materiaali- ja hitsaustekniikkaa, mikä on pyritty huomioimaan mm. käyttämällä mahdollisimman pitkälle EN-merkintöjä. Kirja on tarkoitettu niin oppikirjaksi eriasteisiin oppilaitoksiin kuin suunnittelusta ja valmistuksesta vastaavien henkilöiden käsikirjaksi, tai vaikkapa ensiavuksi hitsien korroosio-ongelmien parissa painiville. Ruostumattomien terästen kulutus on viime vuosikymmeninä kasvanut 3-5 % vuosivauhdilla jatkuen edelleen. Hitsaus on ruostumattomienkin terästen ylivoimaisesti yleisin liittämismenetelmä. Ruostumattomien terästen käytön kasvu yhä uusille alueille lisää hitsauksen kehittämisen tarvetta. Uudet hitsausprosessit edesauttavat myös ruostumattomien terästen soveltamista uusien tuotteiden valmistukseen. Tekijät lausuvat erityiset kiitoksensa professori Pentti Karjalaiselle ja tutkimusprofessori Risto Karpille kirjan tarkastamisesta. Kiitokset TkL Antti Salmiselle laser-hitsauskappaleen, DI Petteri Jernströmille plasmahitsauskappaleen, DI Kosti Jylhälle kaasukaarihitsausosuuden, DI Kari Lahdelle typpisuojakaasuun liittyvien kohtien ja maist. Leo Oksaselle hitsauksen työturvallisuus-osan tarkastamisesta. TkL Martti Vilpasta kiitämme hänen luovuttamistaan hitsin suotaumaa ja korroosionkestävyyttä koskevista tutkimustuloksistaan, DI Hannu Martikaista kiitämme hitsin tunkeuman mallintamiseen liittyvistä kuvista ja DI Paavo Hoolia kuonametallurgiaosan tarkastamisesta. DI Tapani Hämäläiselle kiitokset kiinnostavista historiatiedoista. Kuvien digitaalisesta tekemisestä kiitämme opiskelija Juha Juvosta. Vielä kiitämme Outokumpu Polarit Oy:n laboratorion henkilökuntaa avusta. Kiitokset taloudellisesta tuesta Outokumpu Polarit Oy:lle, Oy Ja-Ro Ab:lle ja Suomen Hitsaustekniselle Yhdistykselle. Kiitokset myös SFS:lle standardien käyttöluvasta. 3
Tekijät DI Antero Kyröläinen on toiminut lähes kaksikymmentä vuotta Outokumpu Polarit Oy:n tutkimusosastolla ruostumattomien terästen parissa tehtävinään uusien teräslaatujen tuotannon ja tuoteominaisuuksien kehittäminen, hitsattavuuden ja ruostumattomien terästen uusien käyttökohteiden tutkimus ja kehitys. Hän on osallistunut aktiivisesti tutkimusyhteistyöhön korkeakoulujen, VTT:n ja asiakasyritysten kanssa. DI Juha Lukkari on toiminut yli kaksikymmentä vuotta erilaisissa tehtävissä Oy Esabilla Helsingissä, viimeksi teknisen palveluosaston päällikkönä. Hän on perehtynyt erityisesti hitsausprosesseihin, hitsauslisäaineisiin ja eri materiaalien hitsattavuuteen. Lisäksi hän ollut Suomen Hitsausteknillisen Yhdistyksen julkaiseman Hitsaustekniikka-lehden päätoimittaja vuodesta 1972. Hän on kirjoittanut myös kirjan Hitsaustekniikka - Perusteet ja kaarihitsaus. Kaikenlaisia hitsin intohimoja! Kun kaksi henkilöä kohtasi sattumalta hitsauksen merkeissä syksyllä 1997, niin lähes heti syntyi intohimoinen ajatus kirjoittaa kirja ruostumattomien terästen hitsauksesta. Molemmilla oli tarve laittaa paperille monien vuosien kokemus ja tietämys ruostumattomista teräksistä ja niiden hitsauksesta. Varmasti hitsaavassa teollisuudessa ja korkeakoulumaailmassa oli myös riittävästi tarpeita tällaiselle työlle. Niin sitten ryhdyttiin tuumasta toimeen purkamaan vuosien intohimoja ja patoutumia, mikä muodostui koko vuoden iltojen nautittavaksi harrastukseksi. Kirja on saumattoman yhteistyön tulos, jossa yhdistyvät oivallisella tavalla tunnetun teräksen valmistajan terästen ja hitsaustutkimuksen tietämys sekä suuren hitsausyrityksen hitsausprosessi-, hitsauslisäaine- ja hitsaustietämys. 27.11.1998 Antero Kyröläinen ja Juha Lukkari 4
Sisältö 1 RUOSTUMATTOMAT TERÄKSET 10 1.1 Mitä on ruostumaton teräs?... 10 1.2 Ruostumattoman teräksen synty ja ensimmäiset hitsaukset Suomessa... 11 1.3 Ruostumattomien terästen mikrorakenne ja pääryhmät... 11 1.3.1 Austeniitti, ferriitti ja martensiitti... 11 1.3.2 Fe-Cr- ja Fe-Cr-Ni-seoksen faasirakenteet... 12 1.3.3 Ruostumattomien terästen pääryhmät... 15 1.3.4 Mekaaniset ominaisuudet... 19 1.4 Ruostumattomien terästen valmistus... 20 1.4.1 Historiaa ja tätä päivää... 20 1.4.2 Teräksen valmistustekniikka... 21 1.5 Ruostumattomien terästen käyttökohteita... 24 1.6 Ruostumattomien terästen SFS-EN-standardit... 33 1.6.1 Koostumukset... 34 1.6.2 Toimitustilat... 34 1.6.3 Mekaaniset ominaisuudet... 34 1.7 Ruostumattomien terästen fysikaaliset ominaisuudet... 37 1.8 Ruostumattomien terästen korroosio... 37 1.8.1 Korroosiolajit... 38 1.8.2 Sähkökemialliset ilmiöt... 38 1.8.3 Passivoituminen... 39 1.8.4 Yleinen korroosio... 41 1.8.5 Paikallinen korroosio... 43 2 AUSTENIITTISTEN RUOSTUMATTOMIEN TERÄSTEN HITSAUSMETALLURGIAA 50 2.1 Mitä hitsaus on?... 50 2.2 Kaarienergia ja lämmöntuonti... 52 2.3 Tunkeuma... 53 2.4 Lämmön leviäminen perusaineeseen ja jäähtyminen... 57 2.4.1 Hitsin lämpöjakso ja jäähtymisnopeus... 57 2.4.2 Hitsin lämpötilajakauma... 59 2.5 Jähmettyminen... 61 2.5.1 Sulan muoto ja jähmettymisnopeus... 61 2.5.2 Jähmettymistapa... 63 2.6 Hitsin jähmettyminen, seosaineiden suotautuminen ja faasimuutokset... 65 2.6.1 Likvidus- ja soliduslämpötilat... 65 2.6.2 Jähmettymisjärjestys: austeniitti ja deltaferriitti... 66 2.6.3 Ferriitti hitsiaineessa... 68 2.6.4 Seosaineiden suotauminen... 70 2.6.5 Hitsiaineen korroosionkestävyys... 71 2.6.6 Jähmettymisen ja korroosionkestävyyden mallintaminen... 74 2.7 Austeniittisen ruostumattoman teräksen hitsin ferriittipitoisuus... 78 2.7.1 Ferriitin vaikutuksia... 78 2.7.2 Ferriittipitoisuuden määrittäminen diagrammien avulla... 78 5
2.7.3 Ferriittipitoisuuden mittaus... 83 2.7.4 Hitsausolosuhteiden vaikutus ferriittipitoisuuteen... 94 2.7.5 Lämpökäsittelyn vaikutus ferriittipitoisuuteen... 99 2.7.6 Korkealämpötilakäytön vaikutus ferriittipitoisuuteen... 99 2.7.7 Ferriittipitoisuuden rajoja hitsiaineissa... 99 2.8 Hitsausvirheet... 102 2.8.1 Kuumahalkeilu... 102 2.8.2 Keskiviivan onkalot... 112 2.8.3 Reunahaava ja humping... 113 2.9 Metallien välisten yhdisteiden syntyminen... 115 2.10 Suojakaasun ja kuonan vaikutukset... 117 2.10.1 Suojakaasujen ominaisuudet ja vaikutukset... 117 2.10.2 Typen käyttö suojakaasussa... 124 2.10.3 Hitsauksen kuonametallurgiaa... 128 2.11 Hitsattavuus... 141 2.11.1 Hitsattavuuskäsite... 141 2.11.2 Perusaineen hitsattavuus... 141 2.11.3 Rakenteellinen hitsattavuus... 143 2.11.4 Valmistuksellinen hitsattavuus... 144 2.11.5 Konepaja ja hitsattavuus... 145 2.11.6 Putkien valmistaja ja hitsattavuus... 145 2.12 Hitsausliitoksen korroosiomuodot... 145 2.12.1 Yleinen korroosio... 145 2.12.2 Raerajakorroosio... 146 2.12.3 Piste- ja rakokorroosio... 147 2.12.4 Jännityskorroosio... 148 2.12.5 Ferriitin selektiivinen korroosio... 148 3 AUSTENIITTISTEN RUOSTUMATTOMIEN TERÄSTEN HITSATTAVUUS 150 3.1 Fysikaaliset ominaisuudet ja hitsaus... 150 3.2 Austeniittisten ruostumattomien terästen ryhmittely... 157 3.2.1 Austeniittiset vakioteräkset... 157 3.2.2 Austeniittiset erikoisteräkset... 158 3.3 Austeniittiset vakioteräkset... 158 3.3.1 Hitsattavuus... 158 3.3.2 Hitsin kuumahalkeilu... 168 3.3.3 Hitsin ferriittipitoisuus... 168 3.3.4 Hitsauslisäaineet... 171 3.4 Austeniittiset erikoisteräkset... 182 3.4.1 Hitsattavuus... 183 3.4.2 Hitsin kuumahalkeilu... 185 3.4.3 Hitsin korroosionkestävyys... 188 3.4.4 Hitsauslisäaineet... 189 3.4.5 Nikkelivaltaiset hitsauslisäaineet... 194 6
4 MUIDEN RUOSTUMATTOMIEN JA TULENKESTÄVIEN TERÄSTEN HITSATTAVUUS 198 4.1 Austeniittis-ferriittiset (duplex-) teräkset... 198 4.1.1 Teräkset... 198 4.1.2 Hitsattavuus... 199 4.1.3 Hitsausaineet... 218 4.2 Ferriittiset teräkset... 225 4.2.1 Teräkset ja hitsattavuus... 225 4.2.2 Hitsauslisäaineet... 230 4.3 Martensiittiset teräkset... 232 4.3.1 Teräkset... 232 4.3.2 Hitsattavuus... 233 4.3.3 Hitsauslisäaineet... 236 4.3.4 Super-martensiittiset ruostumattomat teräkset... 238 4.4 Tulenkestävät teräkset... 241 4.4.1 Teräkset... 241 4.4.2 Hitsattavuus... 243 4.4.3 Hitsauslisäaineet... 245 5 RUOSTUMATTOMIEN TERÄSTEN HITSAUS 246 5.1 Ruostumattomien terästen eurooppalaiset hitsausstandardit... 246 5.1.1 Hitsausstandardisarja EN 1011... 246 5.1.2 Ruostumattomien terästen hitsausstandardi pren 1011-3... 247 5.2 Hitsauksen laadunvarmistus... 248 5.2.1 Hitsauksen laatuvaatimusstandardit... 248 5.2.2 Hitsauksen koordinointihenkilöstö... 249 5.2.3 Hitsaajien pätevyys... 249 5.2.4 Hitsausohje WPS... 249 5.2.5 Hitsausliitoksen menetelmäkoe... 250 5.2.6 Perusaineiden ryhmittely hitsausta varten... 252 5.3 Hitsausrailot... 254 5.3.1 Railot ja niiden valmistus... 254 5.3.2 Plasmaleikkaus... 254 5.3.3 Laserleikkaus... 258 5.3.4 Leikkausmenetelmien vertailu... 259 5.4 Hitsausmuodonmuutokset ja oikaisu... 260 5.4.1 Muodonmuutokset... 260 5.4.2 Oikaisu... 262 5.5 Hitsausprosessit... 262 5.6 Puikkohitsaus... 267 5.6.1 Prosessikuvaus... 267 5.6.2 Hitsausaineet... 271 5.6.3 Hitsauksen suoritus... 281 5.7 MIG/MAG-hitsaus... 282 5.7.1 Prosessikuvaus... 283 5.7.2 Hitsausaineet... 295 5.7.3 Hitsauksen suoritus... 303 5.8 MAG-täytelankahitsaus... 313 5.8.1 Prosessikuvaus... 313 7
5.8.2 Hitsausaineet... 317 5.8.3 Hitsauksen suoritus... 324 5.9 Jauhekaarihitsaus... 329 5.9.1 Prosessikuvaus... 329 5.9.2 Hitsausaineet... 336 5.9.3 Hitsauksen suoritus... 341 5.10 TIG-hitsaus... 350 5.10.1 Prosessikuvaus... 350 5.10.2 Hitsausaineet... 357 5.10.3 Hitsauksen suoritus... 362 5.11 Plasmahitsaus... 365 5.11.1 Prosessikuvaus... 365 5.11.2 Hitsausaineet... 372 5.11.3 Hitsauksen suoritus... 373 5.12 Muita hitsausprosesseja... 374 5.12.1 Kuonahitsaus... 374 5.12.2 Kaasukaarimuottihitsaus (EG-hitsaus)... 379 5.12.3 Vastushitsaus... 381 5.12.4 Suurtaajuusinduktiohitsaus (HF-hitsaus)... 382 5.12.5 Laserhitsaus... 383 5.12.6 Elektronisuihkuhitsaus... 389 5.13 Hitsausvirheet, hitsien tarkastus ja hitsiluokat... 393 5.13.1 Hitsausvirheet... 393 5.13.2 Hitsausvirheet eri hitsausprosesseilla... 393 5.13.3 Hitsien tarkastus... 394 5.13.4 Hitsausvirheiden vaarallisuus... 396 5.13.5 Hitsiluokat ja hitsausvirheet sekä virheiden syyt ja estäminen... 398 5.14 Hitsien korroosionkestävyyden varmistaminen... 414 5.14.1 Hitsin juurensuojaus... 415 5.14.2 Hitsin jälkikäsittelytarve... 419 5.14.3 Lämpökäsittely... 422 5.14.4 Mekaaniset jälkikäsittelyt... 423 5.14.5 Peittaus ja passivointi... 424 5.14.6 Jälkikäsittelyn vaikutus korroosionkestävyyteen... 425 5.15 Hitsauksen työturvallisuus... 427 5.15.1 Hitsauksen vaaratekijät... 427 5.15.2 Hitsaussavu... 427 6 MUSTA/RUOSTUMATON TERÄS -ERIPARILIITOSTEN HITSAUS 435 6.1 Eripariliitosten hitsaus... 435 6.1.1 Eripariliitokset ja niiden hitsattavuus... 435 6.1.2 Hitsauslisäaineet ja niiden ominaisuudet... 437 6.1.3 Perusaineiden sulaminen ja sekoittumisaste... 443 6.1.4 Eriparihitsin koostumuksen laskeminen... 444 6.1.5 Schaeffler-diagrammien käyttö... 445 6.1.6 Eripariliitosten ryhmittely ja vaatimukset lisäaineille... 453 6.1.7 Puskurointihitsaus... 463 6.1.8 PC-ohjelmat... 464 8
6.2 Kompound-levyjen hitsaus... 464 6.2.1 Kompound-levy... 464 6.2.2 Hitsaus ja lisäaineet... 464 6.2.3 Kompound-putkien hitsaus... 469 6.3 Vuoraus ohuella ruostumattomalla levyllä... 470 6.4 Päällehitsaus... 471 6.5 Huonosti hitsattavien terästen hitsaus austeniittisella lisäaineella... 476 6.6 Kylmäsitkeiden nikkeliseosteisten terästen hitsaus austeniittisella lisäaineella... 477 7 RUOSTUMATTOMIEN TERÄSTEN VARASTOINTI JA KÄSITTELY 479 7.1 Kuljetus ja varastointi... 479 7.2 Käsittely ja likaantuminen... 479 8 LIITTEET 482 8.1 Liite 1: Terästen nimikkeet ja numerotunnukset... 482 8.2 Liite 2: Ote standardista SFS-EN 10088-1... 483 8.3 Liite 3: Ote standardista SFS-EN 10088-2... 488 8.4 Liite 4: Ote standardista SFS-EN 29692... 495 8.5 Liite 5: Vertailukuvasto ruostumattomien TIG-hitsien juurensuojaukseen (ote alkuperäisestä laajemmasta kuvastosta)... 498 8.6 Liite 6: Esimerkki hitsauslisäaineen käyttöturvallisuustiedotteesta... 499 9 KIRJALLISUUSVIITTEET 501 10 RUOSTUMATTOMIEN TERÄSTEN HITSAUKSEN OPETUS JA TUTKIMUS SUOMESSA 512 10.1 Teknillinen korkeakoulu, Koneenrakennuksen materiaalitekniikka... 512 10.2 Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto, Materiaalitekniikan laboratorio... 513 10.3 VTT, Valmistustekniikka... 514 9