Toimintamalli hitsattavuuden arviointiin

Jussi Asikainen, Savonia ammattikorkeakoulu

Kehitetään ja pilotoidaan toimintamalli hitsausosaamiseen liittyen mm. selvittämällä hitsaukseen liittyviä haasteita ja testaamalla materiaalien hitsattavuutta. Tehdään lujuustestejä, koehitsauksia ja hyödynnetään analysoinnissa mm. läpivalaisua, röntgentomografiaa ja visuaalista tarkastelua. Kiertotalouden ja kestävyyden näkökulmasta selvitetään korjaushitsaamisen edellytyksiä ja pyritään erityisesti lisäämään korjaushitsaamisen asiantuntemusta.

Rajaus: Yleisimmät metalliset materiaalit, rakenneteräkset, lujat teräkset ja yleisimmät ruostumattomat teräkset, sekä hitsattavat alumiinilaadut.

Lähtökohdat ja tavoitteet

Systemaattinen toiminta ja standardoitu menetelmä hitsattavuuden arvioinnissa selkeyttää toimintaa ja parantaa tulosten luotettavuutta. Tämän toimintamallin tavoitteena on luoda selkeä tapa arvioida hitsauslaboratoriolla tehtäviä tutkimustapauksia ja toimia tukena hitsausmenetelmien kehittämiselle. Työpaketin sisältöön liittyvät oleellisesti myös toimintamallit lujemmat materiaalit ja keveämmät rakenteet, sekä rakenteiden vauriomekanismien tunnistaminen ja ennakointi.

Tämän toimintamallin tarkempi sisältö rajautuu yleisimpiin hitsattaviin rakenneteräksiin, lujiin teräksiin, ruostumattomiin teräksiin ja alumiiniin, mutta periaatetta voidaan tarvittaessa soveltaa muillekin materiaaleille.

Lähtötiedot testaukseen

Hitsauskokeita varten kerätään systemaattisesti kaikki tarvittavat lähtötiedot testauksen suunnittelua varten. Kokeita varten tarvitaan seuraavia tietoja tai dokumentteja:

• Hitsattava materiaali, ainestodistukset
• Hitsattavan rakenteen piirustukset, ellei menetelmäkoelevy tai vastaava
• Sovellettavat laatuvaatimukset
  • Standardit, viranomaisvaatimukset ja muut vaatimukset
• Hitsausohjeet (WPS, pWPS) mikäli saatavilla
• Jäähtymiskäyrät, yms. mikäli saatavilla tai tarvitaan

Testaus-/tutkimussuunnitelmaa varten on hyvä varata valmiiksi

• Pohjat hitsausohjeisiin ja esihitsausohjeisiin
  • Kaarihitsaukseen standardin SFS-EN ISO 15609-1 mukaan
  • Laserhitsaukseen standardin SFS-EN ISO 15609-4 mukaan
• Visuaalisen tarkastuksen pöytäkirjat
  • Kaarihitsauksessa hitsiluokat ISO 5817 mukaisesti
  • Laserhitsauksessa hitsiluokat ISO 13919-1 mukaisesti
• Taulukko testauksen suunnitteluun, johon kirjataan
  • Koekappaleiden tunnisteet
  • Hitsausparametrit
  • Muut oleelliset muuttujat
  • Hitsaaja

Materiaalin hitsattavuus

Materiaalin hitsattavuus käsittää ainoastaan materiaaliin liittyviä muuttujia ja metallurgisia ilmiöitä. Materiaalin hitsattavuuden arviointiin tarvitaan ainakin materiaalin ainestodistukset ja käytettävän hitsauslisäaineen tiedot.

Seostamattomat ja niukkaseosteiset teräkset

Niin sanotuilla ”mustilla teräksillä” ainestodistuksesta oleelliset tarkasteltavat asiat ovat sen hiiliekvivalentti (CE) ja kuumahalkeilualttiutta kuvaava UCS. Hiiliekvivalentti ilmoitetaan usein materiaalitodistuksessa, mutta sen voi myös laskea itse kaavalla:

Hiiliekvivalentti kuvaa materiaalin karkenevuutta, tai sen kykyä muodostaa martensiittia. Hiiliekvivalentin noustessa, suositellaan usein esilämmitystä seuraavasti:

• CE < 0,45 – hyvin hitsattava, huoneenlämmössä
• CE > 0,45…0,6, esilämmitys 100-250˚C

Esilämmitystarve voi myös riippua käytetystä aineen vahvuudesta, joten pelkkä CE ei yksiselitteisesti määritä esilämmityksen tarvetta. Tarkempia arvoja kannattaa katsoa materiaalin toimittajan suosituksista, mikäli saatavilla.

Kuumahalkeilualttiutta kuvaava UCS-tunnusluku voidaan laskea kaavalla:

230 x C + 190 x S + 75 x P + 45 x Nb–12.3 x Si –5.4 x Mn–1

Lisäksi kuumahalkeilualttiutta ja iskusitkeyttä voidaan arvioida myös laskemalla Mangaanin ja rikin suhdetta, tai yhteenlaskettua rikin ja fosforin määrää.

Materiaalin toimitustila kannattaa myös huomioida hitsauksen arvioinnissa. Esimerkiksi valssihilseellä oleva materiaalin pinta tuottaa herkemmin kuumahalkeamia ja lujemmilla materiaaleilla toimitustila on huomattavasti kriittisempi hitsauksen jälkeen syntyvien mikrorakenteiden muodostumiseen.

Ruostumattomat teräkset

Ruostumattomien terästen hitsattavuuden arvioinnissa tulee huomioida erityisesti

• Teräksen mikrorakenne, austeniittinen, ferriittinen, duplex tai martensiittinen
• Teräksen koostumus
  • Kromi- ja nikkeliekvivalentit
  • Hiilen määrä tai stabilointi
• Kuumahalkeilualttius austeniittisilla laaduilla
• Kylmähalkeilualttius martensiittisilla laaduilla
• Lämmöntuonnin rajat ja jäähtymisnopeus
• Lisäaineen valinta

Kromi- ja nikkeliekvivalenttia on käytetty oikean lisäaineen valintaan, mutta valmistajan ohjeistuksen mukaan valittu lisäaine riittää normaalissa tapauksessa, ellei olla tekemässä erikoisempaa eripariliitosta, mikä vaatisii erityishuomiota. Hiilen määrä ruostumattomassa teräksessä vaikuttaa kromikarbidien muodostumiseen (500 – 800 C), mikä voi heikentää teräksen korroosionkestoa.

Alumiinin hitsattavuus

Teollisia alumiinilaatuja jaotellaan erilaisiin 1000-sarjoihin niiden seosainepitoisuuksien perusteella. Taulukossa 1 on listattu alumiinilaatujen tärkeimmät seosaineet, ominaisuudet ja hitsattavuus.

Sarja	Pääseosaineet	Piirteitä	Hitsattavuus
1xxx	> 99% Al	Puhdas, pehmeä	Erinomainen
2xxx	Cu	Korkea Lujuus, lämpökäsiteltävä	Heikko
3xxx	Mn	Muokattava	Hyvä
4xxx	Si	Valettavat laadut, Lisäaineena ok	Heikko
5xxx	Mg	Merialumiini	Erinomainen
6xxx	Mg+Si	Lämpökäsiteltävä	Hyvä
7xxx	Zn	Erittäin luja	Heikko

Alumiinien hitsauksessa tyypillisesti on haasteena kuumahalkeilu, huokoset, sulkeumat ja lujuuden heikkeneminen. Oikea lisäaineen valinta ja työmenetelmä ovat tärkeitä huomioida onnistunutta hitsausta varten. Lämmöntuonti tulee olla rajattu alumiinin ominaisuuksien säilyttämisen vuoksi, sekä muodonmuutosten välttämiseksi. Alumiinin lämmönjohtavuus on huomattavasti korkeampi kuin teräksellä.

Alumiinin toimitustila on myös tärkeä huomioida valittaessa erilaisia alumiinilaatuja hitsattavaksi. Taulukossa 2 on listattu yleisimpiä alumiinin toimitustiloja ja niiden merkitystä hitsattavuuden kannalta. Pehmeäksi hehkutettu O-tila on hitsattavuudeltaan hyvä, muokkauslujitettu H kohtalainen ja lämpökäsitelty T kohtalainen. Lämpökäsitellyissä tai kylmämuokatuissa laaduissa tulee huomioida, että hitsaus saattaa poistaa liitoksen kohdalla muokkaamalla saadut ominaisuudet perusaineessa.

Tila	Piirteet	Hitsaus
F	Valmiustila	Ei käsittelyä
O	Pehmeäksi hehkutettu	Erittäin hyvä
H	Kylmämuokattu	Kohtalainen
T	Lämpökäsitelty	Kohtalainen
W	Liuoshehkutettu	Ei yleensä merkitystä

Alumiinin hitsaus vaatii huolellisuutta ja puhtautta niin välineillä kuin työtiloissa. Alumiinin pintaan muodostuva oksidikerros tulee poistaa ennen hitsausta ja hitsaus täytyy suorittaa välittömästi kerroksen poiston jälkeen.

Valmistuksellinen hitsattavuus

Valmistuksellisella hitsattavuudella tarkoitetaan hitsattavan tuotteen valmistettavuutta tai sitä, miten haastavaa hitsaaminen tietyssä kohteessa on. Valmistuksellinen hitsattavuus liittyy hitsausprosessiin, huomioitavien muuttujien määrään, hitsausasentoihin, ergonomiaan ja suoritustekniikkaan. Alla on lueteltuna tärkeimpiä huomioitavia muuttujia.

Hitsausprosessin valinta

Hitsausprosessin valinnassa tulee huomioida olosuhteet, joissa hitsausta tehdään, käytettävä materiaali ja miten hyvin menetelmä muutoin soveltuu käytettävälle materiaalille, aineenpaksuudelle, vaaditulle tuotantonopeudelle ja laatuvaatimuksille.

Yleisesti MIG/MAG-prosessi on hyvä vaihtoehto suurimpaan osaan tuotteita ja materiaaleja, etenkin seostamattomille ja niukkaseosteisille teräksille. TIG-hitsaus soveltuu usein ruostumattomille teräksille ja alumiinille hyvin, kun käytettävä aineenpaksuus on rajallinen. Kannattaa huomioida myös tuotantomäärät hitsauksessa, TIG ei sovellu suuren kappalemäärän tai pitkien hitsien hitsaamiseen nopeasti. Laser ja käsilaserhitsaus ovat myös potentiaalinen vaihtoehto etenkin ohutlevyille ja ruostumattomille teräksille.

Suuremman tuottavuuden prosessit, kuten jauhekaarihitsaus, soveltuvat lähinnä paksuille materiaaleille ja rajautuu rautapohjaisiin materiaaleihin.

Hitsattava railomuoto, toleranssit ja sovite

Käytettäviin railomuotoihin on olemassa käytännöllinen ohje standardissa SFS-EN ISO 9692-1, Hitsaus ja sen lähiprosessit. Railomuodot. Kannattaa huomioida, että automatisoidussa hitsauksessa railon toleranssit mitoissa kuten, ilmarako, juuripinta ja railokulma, ovat selvästi tiukemmat verrattuna käsivaraiseen hitsaukseen.

Materiaalien puhtaus ja pinnan laatu

Hitsauksessa kannattaa huomioida materiaalien puhtaus ennen hitsausta. Rasva ja lika tulee poistaa railosta ennen hitsausta ja esimerkiksi valssattuna toimitetuista levymateriaaleista kannattaa puhaltaa valssihilse pois ennen hitsausta. Alumiinilla oksidikalvo täytyy harjata tai hioa pois ennen hitsausta ja mahdollisesti käyttää AC-virtalajia hitsaamisessa.

Herkemmillä materiaaleilla, kuten jotkin ruostumattomat teräkset ja titaani, sekä alumiini, lisäaineiden ja kaasun puhtausasteella on paljon merkitystä hitsauksen lopputuloksen kannalta. Myös rautapöly hitsaustilassa tai työkaluissa voi aiheuttaa hyvin haitallisia kontaminaatioita hitsausliitokseen, mikä heikentää liitoksen korroosiokestoa haastavammissa käyttöolosuhteissa.

Hitsauksen lämmöntuonti ja lämmön hallinta

Hitsauksen lämmöntuonti voidaan laskea selvittämällä ensin hitsauksen kaarienergia E (kJ / mm):

missä U = kaarijännite (V), I = hitsausvirta (A) ja v = hitsausnopeus (mm / min).

Lämmöntuonti Q (kJ / mm) saadaan seuraavasti:

missä k tarkoittaa hitsauksen termistä hyötysuhdetta. Termiset hyötysuhteet yleisimmille hitsausprosesseille on esitetty taulukossa 3.

Hitsausprosessi	k
Jauhekaarihitsaus	1
Puikko-	0.8
MIG / MAG	0.8
Täytelankahitsaus	0.8
TIG / Plasma	0.6

Oleellisena muuttujana lämmön vaikutuksesta metallurgisiin hitsattavissa metallisissa materiaaleissa, on myös sen jäähtymisaika. Jäähtymisaikaan vaikuttavat lämmöntuonti, esilämmitystila ja liitosmuoto. Teräksillä usein arvioidaan ns. t_8/5-aikaa, joka tarkoittaa aikaa sekunneissa, jossa hitsi jäähtyy 800 ˚C-asteesta 500 ˚C:een.

Jäähtymisaikaa voidaan arvioida kokeellisesti, tai laskennallisesti. Laskennallisessa arvioinnissa erotetaan kaksi- ja kolmiulotteinen lämmönjohtuminen. Käytännössä kaksiulotteisessa lämmönjohtumisessa lämpö pystyy siirtymään kahteen suuntaan (päittäis- ja nurkkaliitos esim.) ja kolmiulotteisessa kolmeen suuntaan (T-liitokset). Liitosmuotoihin liittyviä kertoimia on esitetty taulukossa 4.

Kaksiulotteiselle lämmönjohtumiselle pätee:

Ja vastaavasti kolmiulotteiselle lämmönjohtumiselle:

• missä d = levynpaksuus (mm)
• T0 = hitsattavan kappaleen esilämpötila (C)
• Q = hitsauksen lämmöntuonti (kJ/mm)
• F2/F3 muotokerroin

Hitsauksen aiheuttamat muodonmuutokset ja jäännösjännitykset

Hitsauksen lämmöntuonti aiheuttaa muodonmuutoksia, jotka voidaan yleisesti jakaa poikittaisiin ja pitkittäisiin muodonmuutoksiin. Kuvassa 2 on havainnollistettu näitä muodonmuutosten tyyppejä.

Muodonmuutoksia voidaan vähentää pienentämällä hitsauksen lämmöntuontia, joko pienentämällä hitsausparametreja tai muuttamalla hitsausprosessia tai -menetelmää. Lisäksi muodonmuutoksiin vaikuttavat materiaalin lämmönjohtavuus, tuoterakenteet ja sen jäykkyys ja kiinnittimien käyttö. Muodonmuutokset hitsauksessa voivat aiheuttaa myös jäännösjännityksiä. Mikäli lämpölaajentuessaan materiaalin liike on estynyt, materiaaliin voi tulla plastisia muodonmuutoksia korotetussa lämpötilassa ja jäähtyessään takaisin huoneenlämpöön rakenne voi jäädä vetojännitystilaan. Jäännösjännitykset voivat heikentää rakenteen kestävyyttä, tai jännitysten lauetessa ne voivat aiheuttaa merkittäviä poikkeamia kappaleiden mittatarkkuuteen.

Hitsausasennot ja ergonomia

Tuotteen hitsaamiseen käytettävät hitsausasennot ja yleisesti ergonomia, vaikuttavat paljon tuotannon sujuvuuteen ja tehokkuuteen, mutta voivat myös tehdä hitsaustyöstä mielekästä tai toisaalta tuskallista. Asentohitsaus voi myös etenkin automatisoidussa hitsauksessa vaikuttaa paljon parametrikirjaston laajuuteen, robottiohjelman monimutkaisuuteen ja selkeyteen. Asentohitsit voivat myös joissain tapauksissa vaatia parametritestausta tai jopa hitsausohjeen laatimista. Tuotteen hitsausasentojen pohdinta kannattaa sisällyttää jo hitsaustyön suunnitteluun ja pohtia myös mahdollisten kappaleenkäsittely- tai muiden apulaitteiden hyödyntämistä hitsauksessa.

Hitsattavan tuotteen automatisointi ja toistettavuus

Yleisesti hitsattavan kappaleen automatisointi riippuu useasta tekijästä. Työn suunnittelussa automatisoinnin näkökulmasta kannattaa arvioida seuraavia asioita:

• Kuinka paljon kappaleessa on pienahitsiä vs muita railomuotoja
• Onko kaikille hitseille olemassa WPS, pWPS tai muuten testatut parametrit
• Tavoiteltavat hitsiluokat ja hitsin muoto ja esteettiset vaatimukset
• Kuinka suuri erä kappaletta valmistetaan, ts. kannattaako yksittäiskappaletta varten tehdä hitsausohjelmaa
• Luoksepäästävyys robottihitsauksessa
• Kappaleenkäsittelylaitteiden kantokyky vs tuotteen paino ja dimensiot
• Pitkien suorien hitsien mekanisointi
• Käsinhitsauksen mielekkyys ja ergonomia vs robotisointi tai mekanisointi
• Osien valmistustarkkuus, toleranssit ja sovitteet

Laatuvaatimukset

Tuotteen hitsauksen laatuvaatimukset tulee sopia ennen valmistamiseen ryhtymistä. Yleisesti tavoitellaan ISO 5817 mukaista hitsausluokkaa C, ellei toisin määritetä. ISO 5817 mukaisten hitsausluokkien lisäksi työn tilaaja voi asettaa lisävaatimuksia, tai tuotteen suunnittelija. Lisäksi tulee huomioida tuotteeseen liittyvät viranomaisvaatimukset ja direktiivit.

Huomioitavia tuoteluokkia, joihin voi liittyä erillisvaatimuksia standardien tai lainsäädännön kautta:

• Painelaitteiden valmistus – Painelaitedirektiivi PED 2014/68/EU, SFS-EN 13445-2, lämmittämättömät painesäiliöt
• Kantavat teräsrakenteet – EN 1090
• Koneturvallisuusasetus EU2023/1230

Rakenteellinen hitsattavuus

Rakenteellisella hitsattavuudella tarkoitetaan rakenteen toimivuutta hitsattuna. Se sisältää

• Hitsausliitoksen lujuuden,
• sitkeyden/haurauden,
• väsymiskestävyyden,
• korroosionkestävyyden ja
• käyttäytymisen vauriotilanteessa

Rakenteellinen hitsattavuus kuvaa siis sitä, säilyttääkö hitsattu rakenne vaaditun lujuuden, kestävyyden ja käyttövarmuuden hitsauksen jälkeen. Rakenteellisen hitsattavuuden arviointi sisältyy usein tuotteen suunnitteluvaiheisiin.

Poikkeamat ja raportointi

Hitsauskokeista tulee taltioida käytetyt hitsausohjeet, hitsaajan tiedot, sekä niiden lisäksi soveltuvin osin:

• Koekappaleiden geometria, piirustukset
• Käytetyt kiinnittimet
• Muotopoikkeamat
• Hitsausjärjestys
• Koekappaleiden kaikkien NDT- tai DT -kokeiden tulokset
• Käytetyt laatukriteerit, sekä täytetäänkö ne
• Johtopäätökset koetuloksista
• Mikäli koekappaleet eivät täyttäneet laatukriteereitä, alustava suunnitelma kokeiden muuttamiseksi