, Austeniittisen EN 1.4404-tyyppisen Muokkauslujitetun teräksen lisäaineeton laserhitsaus Yb YAG kiekkolaserilla Markku Keskitalo
1. Johdanto 7.10.2009 Austeniittinen ruostumaton teräs soveltuu laserhitsaukseen erinomaisesti johtuen korkeasta absorptiosta ja suotuisasta mikrorakenteesta. Hiiliteräksillä ei voida käyttää minimi hitsausenergiaa liiallisen karkenemisen vuoksi, vaikka se olisi hitsin muodon ja kannalta mahdollista. Austeniittisella ruostumattomalla teräksellä tätä ongelmaa ei ole. Mikrorakenteen kannalta ainoa mahdollinen ongelma on kuumahalkeamariski johtuen jähmettymisjärjestyksen muutumisesta austeniitisemmaksi jäähtymisnopeuden lisääntyessä etenkin pienemmillä Cr ekv /Ni ekv - suhteilla. Lisäksi jähmettyvän pisaramaisen sulan muoto edesauttaa epäpuhtauksien suotautumista sula-alueen keskilinjalle. Lisäaineettomassa avaimenreikälaserhitsauksessa railotoleranssit ovat tiukat. Lasersäteen kapeneminen nykyaikaisemmilla tehokkailla hyvän säteenlaadun lasereilla tiukentaa railotoleransseja lisää. Tutkimuksen tarkoituksena on tarkastella haponkestävän muokkauslujitetun EN 1.4404-tyyppisen teräksen päittäishitsattavuutta erilaisilla reunanlaaduilla. Tutkimuksessa tarkastellaan hitsien mekaanisia ominaisuuksia kovuusmittauksin, veto- ja väsytyskokein sekä mikrorakennetta. 2. Teoria 2.1 Railotoleranssivaatimukset Päittäisliitoksen railotoleranssivaatimukset ovat tiukat. Railon rako saa olla enintään 0,05 * ainepaksuus, kuitenkin niin, että rako on reilusti pienempi kuin säteen halkaisija. Esimerkiksi 3 mm ainepaksuudella rako pitää olla pienempi kuin 0,15 mm. Jos käytetään 0,2 mm sädettä on selvää, että rako pitää olla reilusti pienempi. Jos hitsisauman pitää täyttää B luokan vaatimukset rako pitää olla jopa alle 0,05 mm ja hitsattavien reunojen pitää olla suorakulmaisia. Säteen kuljetus pitää tapahtua siten, että säde ei saa vaeltaa hitsin keskilinjalta enempää kuin 10 % säteen halkaisijasta /3/. Siten 0,2 mm säteellä hitsattaessa säde saa poiketa hitsin keskilinjalta vain 0,02 mm. Tämä on käytännössä kova vaatimus, mutta varsirobotillakin se voidaan saavuttaa tietyissä asennoissa ja suunnissa. 2.2 Hitsin mikrorakenne Hitsisauman mikrorakenne voidaan jakaa jähmettymisrakenteeseen ja Hitsin muutosvyöhykkeeseen. 2.2.1 Jähmettymisrakenne Austeniittisen ruostumattoman teräksen hitsauksessa osa sulasta jähmettyy ferriittinä, mikä estää epäpuhtauksien suotautumisen hitsin keskilinjalle johtuen epäpuhtauksien suuremmasta liukoisuudesta ferriittiin. Hitsin sula-alueen jähmettymisrakenne riippuu Cr ekv /Ni ekv suhteesta ja jähmettymisnopeudesta kuvan mukaisesti. Cr ekv /Ni ekv lasketaan kaavan perusteella /1/. Hammar & Svensson: Cr ekv = %Cr + 1,37*%Mo + 1,5*%Si + 2*%Nb + 3*%Ti [1] Ni ekv = %Ni + 0,31*%Mn + 22*%C+14,2*%N + %Cu [2] Kun jähmettymisnopeus kasvaa, sula jähmettyy austeniittisesti suuremmilla Cr ekv /Ni ekv suhteilla. Avaimenreikä-Laserhitsauksessa jähmettymisnopeudet voivat kohota huomattavasti nopeammiksi kuin kuvan 1 kaaviossa.
Kuva 1. Koostumuksen ja jähmettyisnopeuden vaikutus jähmettymisjärjestykseen /2/. 2.2.2 Muutosvyöhykkeen mikrorakenne Muutosvyöhykkeen leveys on se etäisyys sularajasta, jossa hitsin aiheuttama lämpövyöhyke aiheuttaa mikrorakenteeseen ja mekaanisiin ominaisuuksiin muutoksia. Hitsin lämpö- ja muutosvyöhykkeen leveys riippuu lähinnä lasertehosta ja säteen kuljetusnopeudesta. Mikrorakenteen muutokset riippuvat lämpötilan lisäksi ajasta ja koostumuksesta. Esimerkiksi muokkauslujitetulla austeniittisella ruostumattomalla teräksellä muutosvyöhyke on leveämpi, jos mikrorakenteessa on muokkausmartensiittia. Toisin sanoen osa pehmenemisestä tapahtuu jo muokkausmartensiitin reversiolämpötilassa (500 700 C ). Kaavasta [3] voidaan arvioida lämpövyöhykkeen leveyttä laserhitsauksessa. r r m = AP 0,34 vd ρc 1 T T 0 T m 1 T 0 [ 3] /3,4/,missä AP = Absorpoitunut laserteho v = hitsausnopeus ρ = teräksen tiheys c = lämpökapasiteetti r -r m = etäisyys sularajalta siihen pisteeseen, jonka lämpötila on T T = Tarkesteltavan pisteen lämpötila T 0 = Ympäristön lämpötila T m = Sulamispiste
2.2.3 Perusaineen mikrorakenne 7.10.2009 Muokkauslujitetulla austeniittisella ruostumattomalla teräksellä mikrorakenteessa voi olla muokkausmartensiittia riippuen koostumuksesta ja kylmämuokkausreduktiosta. Suurin osa muokkauslujittumisesta saadaan aikaan dislokaatioiden lujittavalla vaikutuksella. Muokkausmartensiitin lujittava vaikutus häviää varsinaista rekristallisaatiota alemmissa lämpötiloissa. Koska rekristallisaatio ydintyy dislokaatioihin, perusmateriaalin kylmämuokkausreduktion lisääntyessä rekristallisaatioon tarvittava lämpötila alenee ja rekristallisoitunut raekoko pienenee rekristallisaation lisääntyneiden ydintymispaikkojen vuoksi. Samalla tavalla vaikuttaa raekoon pieneneminen. 3. Koemateriaalit ja menetelmät Koemateriaali Koemateriaalina on 3,2 mm kylmävalssaamalla lujitettua 1.4404 tyyppistä haponkestävää teräslevyä. Levyt on kylmämuokattu C 700 lujuuteen. Varsinaisten koelevyjen mitat ovat 500 * 200 mm. Osa levyistä on leikattu levyleikkurilla ja osa tasolaserleikkurilla. Puolet koekappaleista on leikattu siten, että pidempi sivu on valssaussuunnassa ja puolet päinvastoin. Levyjä oli kolmesta eri kylmämuokatusta nauhasta samasta sulatuserästä siten, että eri nauhojen välillä oli pieniä eroja lujuudessa. Taulukosta 1 nähdään koemateriaalin koostumus sekä Ni ekv ja Cr ekv :t. Taulukko 1. Koemateriaalin koostumus C % Si % Mn % P % S % Cr % Ni % Mo % N % 0,020 0,53 1,47 0,029 0,004 17,00 11,10 2,04 0,028 DeLong WRC 1992 Hammar& Svensson M d30n Ni ekv 13,04 12,20 12,28-80,2 Cr ekv 19,84 19,04 20,59 Cr ekv /Ni ekv 1,52 1,56 1,68 Taulukossa 1 esiintyvän M d30n lämpötilan ollessa haponkestävälle teräkselle tyypillisen alhainen, mikrorakenteessa ei pitäisi esiintyä muokkausmartensiittiä. Muokkauslujittuminen on siis aikaansaatu pääosin dislokaatiolujittumisen kautta.
Taulukosta 2 nähdään koemateriaaleina käytettyjen eri valssauserien mekaaniset ominaisuudet eri valssausuunnissa Taulukko 2. Koemateriaalien mekaaniset ominaisuudet Rulla R p 0,2 [N/mm 2 ] R m [N/mm 2 ] Agt [%] At [%] A50 A70 Agt(lask) 1 Pitkittäin 586 705 17 25 30 25 14 2 Pitkittäin 545 678 20 28 32 28 17 3 Pitkittäin 507 660 24 32 35 31 20 1 poikittain 636 725 16 25 29 25 14 2 poikittain 600 699 22 30 34 30 19 3 poikittain 564 672 26 34 38 33 21 Koeparametrit Ennen koeparametrien valitsemista määritettiin mahdolliset levyn läpäisevän hitsin hitsausparametrit ehjään levyyn hitsaamalla. Kuvassa 2 nähdään 3,2 mm levylle 200 mm ja 300 mm polttoväleillä hitsattuna levyn läpäisevät hitsausparametrit. Parametri-ikkuna 1.4404 2H 3,2mm 5 4 Laserteho, kw, 3 300 mm polttoväli 200 mm polttoväli 300 mm 200 mm 2 1 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Hitsausnopeus, mm/min Kuva 2. 3,2 mm levyn läpäisevät hitsausparametrit Mekaanisesti leikattuja reunoja aseteltiin hitsirailoon sekä samoin päin, että eripäin leikkaussuuntaan nähden. Kun leikkausreunat asetettiin samoin päin hitsisaumaan, hitsausnopeutta jouduttiin laskemaan nopeuteen 4 m/min edes kohtuullisesti täyttyvän hitsin aikaansaamiseksi. Kun leikkausreunat aseteltiin eri päin, voitiin hitsi hitsata jopa 10 m/min silmämääräisesti tarkasteltuna kohtuullisesti täyttyvän hitsin aikaansaamiseksi.
Oheisesta taulukosta nähdään tutkimuksessa käytetyt koehitsausparametrit joihin päädyttiin useiden esikokeiden perusteella. Kaikissa koehitsauksissa lasersäteen polttopiste on asetettu 1 mm levyn pinnan alapuolelle. Taulukko 3. Koehitsausparametrit Koe nro Rulla nro Teho (kw) Hitsausnopeus (m/min) Optiikan polttoväli (mm) Hitsin suunta Valssausuuntaan nähden Leikkausreunan laatu Leikkausreunan sijoitus saumassa 1 3 4 10 200 pitkittäin Mekaaninen Eripäin 2 1 4 6 200 pitkittäin Mekaaninen Eripäin 3 1 4 6 300 pitkittäin Mekaaninen Eripäin 4 2 4 4 300 pitkittäin Mekaaninen Eripäin 5 1 4 4 200 pitkittäin Mekaaninen Samoin päin 6 2 2 1 300 pitkittäin Mekaaninen Samoin päin 7 3 4 10 200 pitkittäin Laserleikattu 8 3 4 6 200 pitkittäin Laserleikattu 9 3 4 6 300 pitkittäin Laserleikattu 10 3 4 4 300 pitkittäin Laserleikattu 11 3 4 10 200 poikittain Mekaaninen Eripäin 12 3 4 6 200 poikittain Mekaaninen Eripäin 13 3 4 6 300 poikittain Mekaaninen Eripäin 14 3 4 4 300 poikittain Mekaaninen Eripäin 15 3 4 4 200 poikittain Mekaaninen Samoin päin 16 3 2 1 300 poikittain Mekaaninen Samoin päin 17 3 4 10 200 poikittain Laserleikattu 18 3 4 6 200 poikittain Laserleikattu 19 3 4 6 300 poikittain Laserleikattu 20 3 4 4 300 poikittain Laserleikattu
Hitsauslaitteisto Hitsauslaitteistona on kuvan 3 mukainen Trumpf HLD 4002 diodipumpattu Yb:YAG disc-laser. Laserlaitteen sädeparametritulo on 8 mm*mrad. Säde kuljetetaan halkaisijaltaan 200 µm valokuitua pitkin Motoman nivelrobotille. Laserlaitteen suurin teho kappaleen pinnalla on 4 kw. Laitteen hitsauspäässä on käytettävissä polttoväliltään 200 mm, 300 mm, 500 mm ja 680 mm optiikat. Tutkimuksessa käytettiin polttoväliltään 300 mm ja 200 mm optiikoita, jolloin polttopisteessä säteen halkaisija on 0,3 mm ja 0,2 mm. Suojakaasuna käytettiin argonia, joka puhallettiin 300 mm optiikalla hitsattaessa putkella hitsauskohdan eteen takaviistoon. 200 mm optiikalla hitsattaessa suojakaasu puhallettiin koaksiaalisesti säteen ympärille. Lisäksi käytettiin molemmilla optiikoilla hitsattaessa 60 mm pitkää suojakaasukenkää hitsin jättöpuolen suojaamiseksi. Suojakaasun virtausnopeus oli 30 l/min yhteensä kaasukengän kanssa. Hitsin juuri suojattiin erillisellä Argon puhalluksella suljettuun tilaan. Hitsausliike ohjelmoitiin opettamalla suoraan robotille lineaariliikkeenä. Liike opetettiin tarkasti railon keskelle käyttämällä kuvassa 4 näkyvää railonseurantakameraa, joka näkyy myös kuvassa 3 suojakaasukengän yläpuolella. Kuva 3. Trumpf HLD 4002 diodipumpattu Yb:YAG disc-laser, Kaasukengällä varustettu Precitecin YW 50 hitsauspää, Motoman nivelrobotti ja kääntöpöytään kiinnitetty hitsausjigi. Kuvassa 200 mm optiikka koaksiaalisella suojakaasunsyötöllä.
Kuva 4. Railonseurantamonitori 3.4 Muodonmuutosten mittaus Hitsien aiheuttamat muodonmuutokset mitattiin Zeiss 3D-koordinaattimittauskoneella. Mitattavana arvona käytettiin levyjen välistä kulmaa. Kulma mitattiin neljän pisteen perusteella pituussuunnassa hitsin keskeltä. 3.5 Kovuusmittaus Hitsin kovuus mitattiin Shimadzu mikrokovuusmittarilla läpi hitsin poikkileikkauksen 0,1 mm välein 0,2 kg painolla. (HV 0,2). Kovuudet mitattiin poikkileikkaukselta 1 mm yläpinnalta ja 1 mm juurenpuolelta. 3.6 Leikkausreunojen CEF-arvojen määritys Levyleikkurilla mekaanisesti leikatuista reunoista otettiin n. 10 mm hitsattavan levyn päästä poikkileikkaushie, josta voitiin määrittää CEF-arvot jokaiselle koehitsattavalle reunalle /1/. Määritys tehtiin skannerilla maksimiresoluutiolla otetusta kuvista (kuva), jotka analysoitiin Solid works DWG-editorin avulla. Kuvassa 5 näkyy levyleikkurilla leikatun reunan tyypillinen poikkileikkaus.
Kuva 5. Leikkausreunan tyypillinen poikkileikkaus 3.7 Radiografinen tarkastelu Osa hitseistä tarkastettiin röntgenläpivalaisulla mahdollisten liitosvirheiden ja sisäisten vikojen havaitsemiseksi koko hitsin pituudelta. Röntgentarkastuksen teki akkreditoitu NDT-tarkastaja. Hitsit tarkastettiin suoritusstandardin SFS-EN ISO 1435 mukaan /LIITE 1./. 3.8 Vetokokeet Vetokokeet tehtiin Oulun Yliopiston Konetekniikan osaston materiaalitekniikan laboratorion Zwick Z 100 vetokoneella. Vetosauvoja tehtiin 3 kpl jokaisesta hitsisaumasta 150 mm välein. 3.9 Väsytyskokeet Väsytyskokeet tehtiin Oulun Yliopiston konetekniikan osaston Carl Schenck taivutusväsytyskoneella radiografisessa tarkastuksessa hyväksytyille hitseille. Koesauvat leikattiin laserilla siten, että hitsi oli sauvan kapeimmassa kohdassa. Koesauvan kavennettu (min. 20 mm) alue koneistettiin. 3.10 Metallografia Hitseistä otetut poikkileikkaushieet kiillotettiin ja syövytettiin 65 % typpihapossa 40 ma/cm 2 virralla n. 90 s ajan. Näin saatiin rae- ja jähmettymisrakenteet esiin. Hitsin ferriittipitoisuuden ja jähmettymisjärjestyksen arviointia varten poikkileikkaushie syövytettiin 2,5 V jännitteellä NaOH liuoksessa n. 5 s. Metallografiset hieet kuvattiin Oulun Yliopiston materiaalitekniikan laboratorion Nikon valomikroskoopilla.
4 Tulokset 4.1 Hitsien aiheuttamat muodonmuutokset Hitsatuista levyjen välinen kulma mitattiin. Kulmapoikkeamat eli vetelykulmat on annettu taulukossa Taulukko 4 Hitsin aiheuttama kulmamuutos Näyte nro Hitsattujen Levyjen kulmaero,( ) 1 1,73 2 1,65 3 1,42 4 1,33 5 0,7 6 0,5 7 1,93 8 1,64 9 0,84 10 0,69
4.2 Hitsien kovuusprofiilit 7.10.2009 Kuvissa 6 ja 7 nähdään 4 kw teholla 10 m/min hitsattujen koehitsien kovuusprofiilit. Kuvan 6 tapauksessa I- railon reunat on levyleikkurilla mekaanisesti leikattu, minkä vuoksi kovuus nousee heti sularajan jälkeen reilusti yli perusmateriaalin kovuuden. Kuvan 7 tapauksessa I- railon reunat on leikattu tasolaserleikkurilla, joten kovuus on sama kuin perusmateriaalilla heti sularajan jälkeen. Koehitsi nro 1 kovuusprofiili sula-alue 330 310 290 Kovuus, HV 200g, 270 250 230 210 190 yläpuoli juurenpuoli Perusaineen kovuus 170 150-1,1-1 -0,9-0,8-0,7-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 Etäisyys hitsin keskilinjasta, mm Kuva 6. 4 kw teholla 10 m/min mekaanisesti leikattuun reunaan hitsatun hitsin kovuusprofiili Koehitsi nro 7 kovuusprofiili sula-alue 330 310 290 Kovuus, HV 200g, 270 250 230 210 190 Yläpuoli juurenpuoli Perusaineen kovuus 170 150-1,1-1 -0,9-0,8-0,7-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 Etäisyys hitsin keskilinjasta, mm Kuva 7. 4 kw teholla 10 m/min laserleikattuun reunaan hitsatun hitsin kovuusprofiili
Kuvissa 8 ja 9 nähdään 4 kw teholla 4 m/min nopeudella hitsattujen hitsien kovuusprofiilit. Kuvassa 8 I- railon reunat on levyleikkurilla mekaanisesti leikattu, joten siinä näkyy sama muokkauslujittumisen vaikutus kuin kuvassa?. Kuvassa 9 I- railon reunat on leikattu tasolaserleikkurilla, joten kovuus on sama kuin perusmateriaalilla kapean alle 0,2 mm muutosvyöhykkeen jälkeen. Sula-alue on selvästi leveämpi kuin kuvissa 6 ja 7 johtuen suuremmasta lasersäteen spotista ja reilusti hitaammasta hitsausnopeudesta. Koehitsi nro 4 kovuusprofiili sula-alue 330 310 290 Kovuus, HV 200g, 270 250 230 210 190 yläpuoli juurenpuoli Perusaineen kovuus 170 150-1,1-1 -0,9-0,8-0,7-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 Etäisyys hitsin keskilinjasta, mm Kuva 8. 4 kw teholla 4 m/min mekaanisesti leikattuun reunaan hitsatun hitsin kovuusprofiili Koehitsi nro 10 kovuusprofiili sula-alue 330 310 290 Kovuus, HV 200g, 270 250 230 210 190 Perusaineen kovuus Yläpuoli juurenpuoli 170 150-1,1-1 -0,9-0,8-0,7-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 Etäisyys hitsin keskilinjasta, mm Kuva 9. 4 kw teholla 4 m/min laserleikattuun reunaan hitsatun hitsin kovuusprofiili
Kuvassa 10 nähdään 2 kw teholla 1 m/min hitsatun hitsin kovuusprofiili. Se vastaa kuvan 9 profiilia, mutta siinä on sularajan jälkeen selvästi perusmateriaalia pehmeämpi jopa 0,8 mm leveä muutosvyöhyke. Kuvassa 10 Jähmettyneen alueen kovuus on huomattavasti pienempi kuin kuvissa 6-9. Koehitsi nro 6 kovuusprofiili sula-alue 330 310 290 Kovuus, HV 200g, 270 250 230 210 190 yläpuoli juurenpuoli 170 150-1,8-1,6-1,4-1,2-1 -0,8-0,6-0,4-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 Etäisyys hitsin keskilinjasta, mm Kuva 10. 2 kw teholla 1 m/min mekaanisesti leikattuun reunaan hitsatun hitsin kovuusprofiili 4.3 Hitsattavien reunojen CEF-arvot Hitsattavien mekaanisesti leikattujen reunojen CEF-arvot ja leikatun reunan kulmat on annettu taulukossa. Kulma Taulukko 5. Mekanisesti leikattujen levyjen CEF-arvot ja reunan kulmat Näyte nro CEFarvo 1 CEFarvo 2 kulma 1 kulma 2 1 0,95 0,94 3,12 3,55 2 0,91 1,03 2,36 5,46 3 1 0,95 5,44 3,12 4 0,95 0,95 2,25 2,88 5 1,06 0,94 7,42 0,99 6 0,96 0,95 1,99 2,70 11 0,98 0,89 3,25-3,63
12 0,96 0,95 2,97 3,42 13 0,96 0,99 2,03 3,75 14 0,92 1,00 2,00 4,25 15 0,93 0,95 2,02 3,45 16 0,97 0,94 4,48 3,56 4.4 Radiografinen tarkastelu Hitsien röntgenkuvauksien tulokset nähdään taulukosta 6 ja Liitteestä 1. Liitteen koehitsien numerointi nähdään taulukosta 6. Taulukko 6. Hitsien luokittelut Näyte nro Liitteen 1 näytenumerointi Hyväksytty (+) Hylätty (-) Luokitus Huom 1 1 - D Vajaa hitsautumissyvyys 2 2 - D Vajaa hitsautumissyvyys 3 3 - D Vajaa hitsautumissyvyys 4 4 - D Vajaa hitsautumissyvyys 5 9 - D Liitosvirhe 6 10 - C Reunahaava 17 5 + B 18 6 + B 19 7 + B Lievä reunahaava 20 8 + B
Tarkastuspöytäkirjan perusteella parhaimpaan B-luokkaan luokiteltiin vain laserleikattuun reunaan hitsatut hitsit. Levyleikkurilla leikattuun reunaan hitsatut hitsit luokiteltiin näytettä 6 lukuunottamatta luokkaan D. Näytteillä 1-4 vikana oli vajaa hitsautumissyvyys ja näytteellä 5 liitosvirhe. Hitaalla nopeudella hitsattu näyte 6 luokiteltiin luokkaan C johtuen reunahaavasta. Lisäksi näytteestä 6 löytyi muutama huokonen. Kuvassa 11 a) näkyy 4 kw teholla 10 m/min mekaanisesti leikattuun railoon hitsatun koekappaleen röntgenkuva ja kuvassa 11 b) vastaavilla parametreillä laserleikattuun railoon hitsatun koekappaleen röntgenkuva. Kuva 11 a) Näyte nro 1 Röntgenkuva b) Näyte nro 17 Röntgenkuva 4.5 Vetokokeiden tulokset Taulukko 7. Koehitsien mekaaniset ominaisuudet Koe nro Rulla nro Vetosuunta R p 0.1 (N/mm² ) R p 0.2 (N/mm² ) R p 1,0 (N/mm²) R m (N/mm²) A gt (%) A t (%) A50 (%) 1 3 poikittain 515 548 583 650 17 18 20 2 1 poikittain 590 633 689 724 9 10 12 3 1 poikittain 594 637 692 723 8 9 11 4 2 poikittain 558 591 634 689 13 15 17 5 1 poikittain 583 628 681 719 10 13 16 6 2 poikittain 478 518 602 648 6 7 9 7 3 poikittain 527 556 588 673 23 26 28 8 3 poikittain 527 556 588 672 23 25 28 9 3 poikittain 527 555 589 672 21 23 26 10 3 poikittain 528 555 590 671 21 23 25 11 3 pitkittäin 449 494 551 598 6 6 7 12 3 pitkittäin 445 487 540 632 15 16 16 13 3 pitkittäin 446 489 540 634 15 16 17 14 3 pitkittäin 452 495 547 644 16 17 17 15 3 pitkittäin 448 492 546 638 15 16 17
16 3 pitkittäin 419 454 531 608 9 10 12 17 3 pitkittäin 455 498 549 656 22 24 25 18 3 pitkittäin 453 496 548 655 22 24 25 19 3 pitkittäin 455 496 545 650 19 20 21 20 3 pitkittäin 453 494 547 651 18 20 20 Vetokokeiden tuloksista voidaan päätellä, että hitseissä ei ollut liittymävikoja. Laserleikatuissa hitseissä Rp 0.2 ja R m olivat hiukan pienempiä kuin vastaavan nauhan perusaineen vetokoetuloksissa. 4.6 Väsytyskokeiden tulokset Laserleikattuun reunaan hitsatuille koehitseille nro 7-10 tehtiin väsytyskokeet kahdella eri väsytysamplitudilla. Taulukosta 8 nähdään koehitsien sauvojen väsytyssyklien määrä eri jännitystasoilla. Taulukko 8. Koehitsi nro Väsytyskokeiden tulokset Koejännitys N/mm 2 Väsytyssyklien määrä 7 8 9 10 336,6 1561500 370,6 242100 336,6 1502300 374,4 191000 336,6 >6000000 374,4 136000 336,6 231700 370,6 91100 4.7 Metallografia Kuvissa 12-17 esillä olevat kiillotetut hieet on syövytetty 65 % typpihapossa 2,5 V n. 40 ma/cm 2 virrantiheydellä 90 s ajan
Kuva 12. Näyte 1. Hitsattu 4kW teholla 10 m/min 200 mm polttovälillä mekaanisesti leikattuun reunaan Kuva 13. Näyte 1 sularaja ja muutosvyöhyke
Kuva 14. Näyte 17 hitsattu 4kW teholla 10 m/min 200 mm polttovälillä laserleikattuun reunaan Kuva 15. Näyte 17 sularaja ja muutosvyöhyke
Kuva 16. Näyte 6 hitsattu 2kW teholla 1 m/min 300 mm polttovälillä mekaanisesti leikattuun reunaan Kuva 17. Näyte 6 sularaja ja muutosvyöhyke
Kuvissa 18 ja 19 esiintyvät kiillotetut hieet on syövytetty NaOH:ssa 2,5 V jännitteellä n. 4 s ajan rakenteessa olevan ferriitin tarkastelua varten. Kuva 18. Näyte 1 hitsattu 4kW teholla 10 m/min 200 mm polttovälillä mekaanisesti leikattuun reunaan. Otettu sularajalta. Hitsisula näkyy oikealla. Kuva 19. Näyte 6 hitsattu 2kW teholla 1 m/min 300 mm polttovälillä mekaanisesti leikattuun reunaan. Otettu sularajalta. Hitsisula näkyy vasemmalla
5 Tulosten tarkastelu 5.1 Hitsien muodonmuutokset Hitsattujen levyjen väliset kulmat vaihtelivat 1,93-0,5 välillä. Nopeimmalla 10 m/min nopeudella hitsattujen hitsien vetelyt olivat suurimmat. Pienimmät vetelyt olivat hitaimmalla 1 m/min nopeudella hitsatuissa levyissä. 300 mm optiikalla hitsatuissa levyissä näytti olevan pienemmät vetelyt kuin 200 mm optiikalla hitsatuissa levyissä. Hitsien vetelyihin vaikuttaa mm. hitsattavien reunojen laatu hitsautumissyvyys ym. tekijät, joten näin pienellä koemäärällä ei voida kovin tarkasti tehdä johtopäätöksiä eri tekijöiden vaikutuksista hitsattavien levyjen muodonmuutoksiin. Hitsin pitkittäissuunnassa levyissä ei näkynyt silmämääräisesti minkäänlaisia muodonmuutoksia. Joka tapauksessa laserhitsin muodonmuutokset ovat olemattomia verrattaessa tavanomaisiin kaarihitsausmenetelmiin. 5.2 Kovuudet Kuvista 6 ja 8 nähdään, että levy on muokkauslujittunut mekaanisessa leikkauksessa noin 1 mm matkalta reunasta. Pienimmällä lämmöntuonnilla hitsatun hitsin sula-alueen leveys on keskimäärin 0,32 mm eli 10% levynpaksuudesta. Hitsin muutosvyöhyke on erittäin kapea, minkä vuoksi kovuus on suuri heti sularajan vieressä. Rekristallisaatiota ei ole tapahtunut käytännössä ollenkaan tai rekristallisoitunut alue on olemattoman kapea. Sulana käynyt alue on selvästi perusainetta pehmeämpää (HV 216), mutta kuitenkin kovempaa, kuin hehkutettu vastaavan koostumuksen omaava teräs. Tämä johtuu hienosta jähmettymisrakenteesta. Laserleikattuun reunaan hitsatussa hitsissä (kuva 7) kovuus muuttuu heti sularajan jälkeen perusaineen kovuutta vastaavaksi. Suurimmalla lämmöntuonnilla hitsatussa hitsissä nro 6 (kuva 10) jähmettynyt osuus on jonkin verran pehmeämpää (HV 197) kuin muissa hitseissä. Kuvan tapauksessa suuremmalla lämmöntuonnilla hitsatussa hitsissä mekaanisesti leikatun reunan muokkauslujittunutta aluetta ei näy kovuusmittauksissa, mikä johtuu leveämmästä sula-alueesta ja muutosvyöhykkeestä. Pehmenneen muutosvyöhykkeen leveys on n. 0,8 mm. 5.3 Hitsirailojen CEF-arvot Mekaanisesti leikatuista railoista mitattujen CEF-arvojen perusteella ei voida suoraan määrittää laserhitsattavan reunan laatua. Parhaimman eli koneistetun reunan CEF-arvo on 1, mutta samaan arvoon voidaan päätyä eri mittasuhteiden kautta. Kun levyt on leikattu levyleikkurilla CEF-arvot voivat muuttua reunassa. Rainaleikkurilla nauhalta suoraan leikattuna CEF-arvot ovat todennäköisesti tasaisemmat. Laserhitsattavissa reunoissa c-mitan ja s-mitan erotuksen pitäisi olla mahdollisimman pieni, minkä vuoksi leikkuuvälys pitää olla riitävän pieni. Lisäksi e-mitan itseisarvo pitäisi olla mahdollisimman lähellä nollaa. Levyreunojen vastakkainkääntämisellä pyrittiin kompensoimaan e- mitan aiheuttamaa raon väljyyttä, minkä vuoksi on tällöin tärkeää, että e-mitat ovat tällöin samanlaisia. F- mitalla ei ole kovin suurta merkitystä ja siitä voi olla jopa etua hitsattaessa jäysteenpuolelta sen toimiessa lisäaineena.
Kuva 20. CEF- arvon määritys leikatun reunan poikkileikkauksesta /9/. 5.4 Radiografinen tarkastelu Hitsin luokittelussa havaittiin selvästi, että mekaanisesti leikattuun reunaan hitsattu sauma ei täytä luokan B vaatimuksia, johtuen vajaasta hitsautumissyvyydestä. Tähän on syynä lähinnä levyn taipuminen leikataessa yläosastaan alaspäin (Kuva 21 rollover depth), minkä vuoksi hitsi jää reunoiltaan vajaaksi (ks. kuva12). Lisäksi hitsattavan sauman tyhjä tila aiheuttaa sulamateriaalin vajauksen. Kuva 21. Mekaanisesti leikatun reunan rakenteen määrittelynimet /9/. Laserleikattuun saumaan hitsatut hitsit täyttivät luokan B vaatimukset, koska niissä ei ollut materiaalivajauksia eikä suurempia reunahaavoja (kuva 14).
5.5 Mekaaniset ominaisuudet 7.10.2009 Laserhitsien R p0,2, ja R m lujuudet perusaineeseen verrattuina näkyvät taulukosta 9. Taulukossa 9 on verrattu perusaineen ja hitsattujen kappaleiden lujuuksia siten, että lujuuksien osalta nähdään paljonko on jäljellä muokkauslujituksessa saavutetusta lujuudesta. Vertauslujuutena on käytetty EN 1.4404 teräksen hehkutetun tilan lujuuksia R p0,2% = 240 N/mm 2 ja R m = 605 N/mm 2 (poikittain) /1/. Muovattavuuden osalta taulukossa nähdään hitsattujen kappaleiden muovattavuuden suhde perusaineen vastaaviin. Taulukko 9. Hitsien mekaaniset ominaisuudet suhteessa perusaineen vastaaviin ominaisuuksiin Näyte nro Vetosuunta Rp 0,2 [N/mm2] (%) Rm [N/mm2] (%) Agt [%] (%) At [%] (%) A50 [%] (%) Lämmöntuonti (kj/mm) 1 poikittain 95 67 67 53 53 0,024 2 poikittain 99 99 56 40 42 0,040 3 poikittain 100 98 46 34 37 0,040 4 poikittain 97 89 61 49 50 0,060 5 poikittain 98 95 63 51 53 0,060 6 poikittain 66 46 26 23 27 0,120 7 poikittain 97 101 90 75 74 0,024 8 poikittain 96 99 89 74 73 0,040 9 poikittain 96 99 82 69 68 0,040 10 poikittain 96 98 81 68 65 0,060 11 pitkittäin 95-13 25 19 19 0,024 12 pitkittäin 92 49 63 50 45 0,040 13 pitkittäin 92 53 64 50 47 0,040 14 pitkittäin 95 70 67 53 49 0,060 15 pitkittäin 94 60 62 50 47 0,060 16 pitkittäin 78 6 39 33 33 0,120 17 pitkittäin 97 92 91 74 71 0,024 18 pitkittäin 96 91 92 76 72 0,040 19 pitkittäin 96 82 80 64 60 0,040 20 pitkittäin 95 83 77 62 57 0,060 Kaikki koesauvat katkesivat sula-alueelta. Taulukosta 9 voidaan havaita, että lujuus laskee merkittävästi vasta hitaimmalla 1 m/min nopeudella 0,12 kj/mm lämmöntuonnilla (näytenro 6 ja 16). 4 kw teholla hitsausnopeuksilla 4-10 m/min hitsattujen hitsien lujuudet olivat melko samanlaisia. Muovattavuudeltaan parhaimmat hitsit olivat 200 mm optiikalla laserleikattuun reunaan hitsattuja. Myös 300 mm optiikalla laserleikattuuun reunaan hitsattujen venymät olivat hyvät. Tämä johtuu täydellisestä hitsautumissyvyydestä, mikä on todettu radiografisessa tarkastuksessa kappaleessa 4.7 (ks Liite 1). Perinteisillä menetelmillä hitsatuilla hitseillä saavutetaan vain n. 50 % perusaineen lujuudesta /8/. Kun tarkastellaan eri hitsien mekaanisten ominaisuuksien keskihajontaa /LIITE 2./, voidaan selvästi huomata, että laserleikattuun rai-
lonreunaan hitsatuilla hitseillä keskihajonta on hyvin pientä riippumatta hitsausnopeudesta. Mekaanisesti leikattuihin railonreunoihin hitsattujen hitsien keskihajonta on suurta korkeammilla hitsausnopeuksilla. Tämä johtuu vaihtelevasta railon täyttymisestä, minkä voi selvästi havaita röntgenkuvista (kuva 11 a). Pienellä lämmöntuonnilla sulan tilavuus on suhteellisesti pieni verrattuna railopintojen sovituksesta aiheutuvaan materiaalin vajaukseen. Tämä on syynä hitsin suurempaan vajavuuteen. 5.6 Väsytyskokeet 5.7 Mikrorakenne Hitsissä sula-alueen mikrorakenne on hieno. Pienillä hitsausenergiolla hitsatuissa hitseissä sularaja näkyy jyrkkänä rajana perusaineeseen nähden. Kuumahalkeamaan johtavia suotautumisia ei näy nopeimmallakaan jäähtymisnopeudella (Kuvat 12-15), mikä johtuu suuresta Cr ekv /Ni ekv suhteesta /2,7/. Hitsiaineessa näkyy ferriittiä tasaisesti jakautuneena NaOH syövytetyssä näytteessä (kuvat 18-19) siten, että nopeammin hitsatussa näytteessä (kuva 18) ferriittiä on hieman vähemmän ja se hienompaa. Kovuusmittausten perusteella hitsin muutosvyöhyke on erittäin kapea ainakin suurimmilla hitsausnopeuksilla. Kuvassa 13 pienellä energialla mekaanisesti leikattuun reunaan hitsatussa hitsissä näkyy kapea n. 0,1 mm muutosvyöhyke, jossa sularajan vieressä oleva rekristallisoitunut raerakenne on selvästi hienompaa kuin perusaineen raerakenne johtuen muokkauksessa syntyneiden rekristallisaation ydintymispaikkojen suuren tiheyden vaikutuksesta rekristallisoituneeseen raekokoon. Kuvassa 17 suurella hitsausenergialla hitsatussa hitsissä sularajan vieressä oleva raerakenne on selvästi karkeampaa kuin perusaineen raerakenne johtuen rakeenkasvusta. Lisäksi kuvasta 17 voidaan selvästi havaita n. 0,3 mm leveä muutosvyöhyke, jossa uloimpana näkyy pieniä rekristallisoituneita rakeita ja lähempänä sularajaa suurempia kasvaneita rakeita. Kuvassa 15 laserleikattuun reunaan hitsatun hitsin raerakenteessa ei näy käytännössä minkäänlaisia muutoksia sula-alueen ulkopuolella. Kun otetaan huomioon, että kuvan 13 tapauksessa hitsirailon reuna on mekaanisesti leikattu reilusti perusainetta enemmän muokkauslujittuneempi kuin kuvan 15 laserleikattuun reunaan hitsatun hitsin reuna, on tällöin kuvan 13 hitsin muutosvyöhykkeellä tapahtunut rekristallisaatio huomattavasti herkemmin kuin kuvan 15 tapauksessa. Kuvista arvioitu muutosvyöhykkeen leveys vastaa kovuuskokeiden perusteella arvioitua muutosvyöhykkeen leveyttä. Kuvissa esiintyvien sulana käyneiden alueiden jähmettymisrakenteeissa on selviä eroja riippuen käytetystä hitsausenergiasta. Kuvan perusteella suurimmalla nopeudella hitsattujen hitsien sula-alueen mikrorakenteessa näkyy viitteitä sekä ferriittis-austeniittisesta, että austeniittis-ferriittisestä jähmettymisjärjestyksestä /7/. Pieniä alueita voi olla jähmettynyt jopa puhtaasti austeniittisesti, joten austeniittisen jähmettymisen rajalla ollaan jopa näinkin suurella Cr ekv /Ni ekv suhteella (1,68 H&Sv). Kuvien 13 ja 15 jähmettymisrakenteessa on selviä eroja, vaikka ne ovat hitsatut samoilla parametreillä. Koska kuvan 15 tapauksessa hitsaus on tapahtunut samoilla parametreillä kuin kuvassa 13, mutta laserleikattuun reunaan, voi laserleikkauksessa käytetty typpi vaikuttaa diffuntoituessaan metalliin Cr ekv /Ni ekv suhteeseen siten, että austeniittinen jähmettyminen on helpompaa.
6. Yhteenveto 7.10.2009 Tutkimuksessa käytetyllä teräksellä laserhitsauksella saavutetaan perinteiseen hitsaukseen verrattuna merkittävästi paremmat mekaaniset ominaisuudet ja pienemmät muodonmuutokset. Mekaaniset ominaisuudet alenevat vasta 0,06 kj/mm suuremmilla lämmöntuonneilla. Jos joudutaan hitsaamaan levyleikkurilla leikattuun reunaan, kannattaa käyttää 0,06 kj/mm lämmöntuontia ja reunat kannattaa sijoittaa eri päin, koska tällöin saavutetaan luotettavimmin korkeat mekaaniset ominaisuudet. Laserleikattuun reunaan hitsattaessa voidaan käyttää minimi lämmöntuontia 0,024 kj/mm, jos lasersäteen kuljetustarkkuus riittää. Käytettäessä hyvällä tasolaserilla leikattua reunaa, saavutetaan B luokan hitsisauma. Yleisesti laserhitsatun sauman laatu riippuu säteen kuljetustarkkuudesta ja railopintojen laadusta.
LIITE 1 11
LIITE 2 Teho Nopeus optiikka Reuna Rp 0.2 Rm A gt koe nr kw m/min mm N/mm² N/mm² % 1 4 10 200 levyleikkuri Keskiarvo 548,33 650,33 17,42 keskihajonta 4,16 26,10 9,44 Keskiarvo 633,33 724,33 9,28 2 4 6 200 levyleikkuri keskihajonta 3,79 2,89 0,84 Keskiarvo 637,00 723,00 7,63 3 4 6 300 levyleikkuri keskihajonta 3,61 13,11 3,10 Keskiarvo 591,00 688,67 13,38 4 4 4 300 levyleikkuri keskihajonta 1,00 1,15 0,26 Keskiarvo 628,33 719,33 10,34 5 4 4 200 levyleikkuri keskihajonta 6,43 3,06 1,03 Keskiarvo 518,33 648,33 5,73 6 2 1 300 levyleikkuri keskihajonta 7,09 8,08 0,31 Keskiarvo 556,00 673,33 23,28 7 4 10 200 Laserleikkaus keskihajonta 0,00 0,58 0,62 Keskiarvo 555,67 671,67 23,02 8 4 6 200 Laserleikkaus keskihajonta 0,58 1,53 0,77 Keskiarvo 555,00 671,67 21,44 9 4 6 300 Laserleikkaus keskihajonta 1,00 1,53 0,26 Keskiarvo 555,00 670,67 21,17 10 4 4 300 Laserleikkaus keskihajonta 1,00 1,15 0,05 Keskiarvo 494,33 597,67 5,85 11 4 10 200 levyleikkuri keskihajonta 7,02 25,42 3,09 Keskiarvo 487,33 632,33 15,10 12 4 6 200 levyleikkuri keskihajonta 6,43 25,72 5,30
Keskiarvo 488,67 634,33 15,16 13 4 6 300 levyleikkuri keskihajonta 2,31 11,59 3,19 Keskiarvo 495,33 643,67 15,88 14 4 4 300 levyleikkuri keskihajonta 3,51 10,69 3,04 Keskiarvo 492,00 638,33 14,76 15 4 4 200 levyleikkuri keskihajonta 2,65 14,57 4,25 Keskiarvo 454,33 608,33 9,34 16 2 1 300 levyleikkuri keskihajonta 1,53 9,45 1,69 Keskiarvo 497,67 655,67 21,65 17 4 10 200 Laserleikkaus keskihajonta 6,03 4,04 0,29 Keskiarvo 496,33 655,33 21,89 18 4 6 200 Laserleikkaus keskihajonta 3,51 5,13 0,79 Keskiarvo 495,67 650,33 18,98 19 4 6 300 Laserleikkaus keskihajonta 2,08 1,53 0,63 Keskiarvo 494,33 650,67 18,40 20 4 4 300 Laserleikkaus keskihajonta 3,79 3,21 0,54
Lähteet: 1. Kyröläinen A., Lukkari J., Ruostumattomat teräkset ja niiden hitsaus, Metalliteollisuuden keskusliitto MET, 1999. 2. Suutala N., Effect of solidification conditions on the solidification mode in the austenitic stainless steels, Metallurgical transactions 14A (1983), 191-197 3. Duley W.W., Laser Welding, University of Waterloo, s. 117 4. Ion J.C., Salminen A., Sun Z., Welding journal, 75:225s. 5. Vitek J.M., David S.A., Prediction of non-equilibrium solidification modes in austenitic stainless steels, Metals and ceramics division Oak ridge national laboratory, Oak ridge Tennessee 37831 6. EWF-specialkurs lasersvetsning luentomoniste, Luleå tekniska universitet 2007. 7. Suutala N., Solidification studies on austenitic stainless steels, Department of mechanical engineering, University of Oulu, 1982. 8. Kyröläinen A., Yrjölä P., Immonen V., Sainio S., Kylmämuokkaamalla lujitettujen ruostumattomien terästen hitsaus tuotteeksi. Hitsaustekniikka 1/2001. Suomen hitsausteknillinen yhdistys. 9. Taulavuori T., Kujansuu J., Aspegren P., Kangas P., A method for determining the quality of mechanically cut edges: The Cutting Edge Factor (CEF). Welding and cutting 2005, No. 5.
Sisällysluettelo 1. Johdanto... 2 2. Teoria... 2 2.1 Railotoleranssivaatimukset... 2 2.2 Hitsin mikrorakenne... 2 2.2.1 Jähmettymisrakenne... 2 2.2.2 Muutosvyöhykkeen mikrorakenne... 3 2.2.3 Perusaineen mikrorakenne... 4 3. Koemateriaalit ja menetelmät... 4 3.1 Koemateriaali... 4 3.2 Koeparametrit... 5 3.3 Hitsauslaitteisto... 7 3.4 Muodonmuutosten mittaus... 8 3.5 Kovuusmittaus... 8 3.6 Leikkausreunojen CEF-arvojen määritys... 8 3.7 Radiografinen tarkastelu... 9 3.8 Vetokokeet... 9 3.9 Väsytyskokeet... 9 3.10 Metallografia... 9 4 Tulokset... 10 4.1 Hitsien aiheuttamat muodonmuutokset... 10 4.2 Hitsien kovuusprofiilit... 11 4.3 Hitsattavien reunojen CEF-arvot... 13 4.4 Radiografinen tarkastelu... 14 4.5 Vetokokeiden tulokset... 15 4.6 Väsytyskokeiden tulokset... 16 4.7 Metallografia... 16 5 Tulosten tarkastelu... 21 5.1 Hitsien muodonmuutokset... 21 5.2 Kovuudet... 21 5.3 Hitsirailojen CEF-arvot... 21 5.4 Radiografinen tarkastelu... 22 5.5 Mekaaniset ominaisuudet... 23 5.6 Väsytyskokeet... 24 5.7 Mikrorakenne... 24 6. Yhteenveto... 25 Liitteet 2 kpl Lähdeluettelo