B
Renata Latypova & Timo Kauppi
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus
LAPIN AMKIN JULKAISUJA Sarja B. Tutkimusraportit ja kokoomateokset 16/2018
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus
Renata Latypo & Timo Kauppi
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus Sarja B. Tutkimusraportit ja kokoomateokset 16/2018
Lapin ammattikorkeakoulu Rovaniemi 2018
© Lapin ammattikorkeakoulu ja tekijät ISBN 978-952-316-253-2 (nid.) ISSN 2489-2629 (painettu) ISBN 978-952-316-254-9 (pdf) ISSN 2489-2637 (verkkojulkaisu) Lapin ammattikorkeakoulun julkaisuja Sarja B. Tutkimusraportit ja Kokoomateokset 16/2018 Rahoittajat: Business Finland, Euroopan Unioni Euroopan aluekehitysrahasto. Kirjoittaja(t) DI Renata Latypova, Oulun yliopisto ja IWE, TkL Timo Kauppi, Lapin ammattikorkeakoulu Kansikuva: Timo Kauppi Taitto: Lapin AMK, viestintäyksikkö
Lapin ammattikorkeakoulu Jokiväylä 11 C 96300 Rovaniemi Puh. 020 798 6000 www.lapinamk.fi/julkaisut Lapin korkeakoulukonserni LUC on yliopiston ja ammattikorkeakoulun strateginen yhteenliittymä. Konserniin kuuluvat Lapin yliopisto ja Lapin ammattikorkeakoulu. www.luc.fi
Sisällys MERKINNÄT JA LYHENTEET JOHDANTO
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
7 . 11
1 LUJAT JA ULTRALUJAT TERÄKSET . . . . . . . . . 12 1.1 Ultralujat rakenneteräkset . . . . . . . . . . 14 1.2 Ultralujien rakenneterästen valmistusmenetelmät . . . . . 16 1.3 Standardit . . . . . . . . . . . . . . 18 2 HITSATTAVUUS . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1 Hiiliekvivalentti . . . . . . . . . . . . . 21 2.2 Lämmöntuonti ja t8/5 -aika . . . . . . . . . . 23 2.3 Jatkuva jäähtyminen . . . . . . . . . . . 27 3 STRENX™ TERÄKSET . . . . . . . . . . . . 29 3.1 Mekaaniset ominaisuudet . . . . . . . . . . 29 3.2 Standardivastaavuudet ja toimitustilat . . . . . . . . 30 3.3 Mikrorakenne . . . . . . . . . . . . . 30 3.4 Hitsattavuus . . . . . . . . . . . . . 33 4 ULTRALUJIEN TERÄSTEN HITSAUS . . . . . . . . . 35 4.1 Seostamattoman rakenneteräksen hitsiliitoksen mikrorakenne . . 36 4.2 Ultralujan rakenneteräksen hitsiliitoksen mikrorakenne . . . . 38 4.2.1 CGHAZ . . . . . . . . . . . . . 40 4.2.2 FGHAZ . . . . . . . . . . . . . 42 4.2.3 ICHAZ . . . . . . . . . . . . . . 42 4.2.4 SCHAZ . . . . . . . . . . . . . 43 4.3 HAZ:n leveys . . . . . . . . . . . . . 43 4.4 Jäähtymisaika . . . . . . . . . . . . . 44 4.5 Vetyhalkeilu . . . . . . . . . . . . . 44 4.5.1Seostuksen vaikutus vetyhalkeiluun . . . . . . . 45 4.5.2 Vetypitoisuus hitsausliitoksessa . . . . . . . . 49 4.6 Hitsauslisäaineet . . . . . . . . . . . . 51 4.7 Suojakaasu . . . . . . . . . . . . . . 54 LÄHDELUETTELO
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. 55
MERKINNÄT JA LYHENTEET Materiaalitekniikka A1
Alin lämpötila, jonka alapuolella austeniitti ei ole stabiili, vaan muuttuu sementiitiksi ja ferriitiksi tasapaino-olosuhteissa
A3 Lämpötilaraja, joka erottaa austeniitti-ferriitti -alueen austeniitti alueesta AHSS
Erikoisluja teräs (engl. advanced high strength steel)
BH
Kuumalujittuva teräs (engl. bake hardenable steel)
CCT Jatkuvan jäähtymisen käyrä (engl. Continuous Cooling Transfor- mation) CEV/CET
Hiiliekvivalentti (engl. carbon equivalent value)
CGHAZ
Karkearakeinen vyöhyke (engl. the coarse grained HAZ)
CO2
Hiilidioksidi
CP
Monifaasiteräs (engl. compelx phase steel)
DP
Kaksifaasiteräs (engl. dual phase steel)
DQ
Suorasammutus (engl. direct quenching)
FGHAZ
Hienorakeinen vyöhyke (engl. the fine grained HAZ)
HAZ
Lämpövyöhykkeeksi (engl. heat affected zone)
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 7
HSLA Niukkaseosteinen suurlujuusteräs (engl. high-strength low-alloy steel) HSS
Perinteinen luja teräs (engl. high strength steel)
ICHAZ
Osittain austenitoitunut vyöhyke (engl. the Intercritical HAZ)
MMA
Puikkohitsaus (engl. Manual Metal Arc welding)
MS
Martensiittinen teräs (engl. martensitic steel)
S
Rakenneteräs (engl. structural steel)
SCHAZ
Alikriittinen vyöhyke (Subcritical HAZ)
SAW
Jauhekaarihitsaus (engl. Submerged Arc Welding)
t8/5
Jäähtymisaika 800–500°C välillä
TMCP Termomekaaninen käsittely (engl. Thermomechanical Control Process) TRIP
Työstölujittuva teräs (engl. transformation induced plasticity steel)
TTT Jatkuvan jäähtymisen käyrä (engl.Time Temperature Transforma- tion) UHSS
Ultraluja teräs (engl. ultra high strength steel)
QT
Nuorrutus (engl. Quenched and Tempered)
Alkuaineet Al Ar B C Cr N
Alumiini Argon Boori Hiili Kromi Typpi
8 Renata Latypova & Timo Kauppi
Ni Nb Mn Mo Ti V
Nikkeli Niobi Mangaani Molybdeeni Titaani Vanadiini
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 9
10 Renata Latypova & Timo Kauppi
JOHDANTO Myötölujuudeltaan yli 700 MPa olevat teräkset luokitellaan erikoislujiksi tai ultralujiksi teräksiksi lähteestä riippuen. Erikoislujien/ultralujien terästen tärkein ominaisuus on niiden lujuus, mutta niillä on myös suuri kovuus, hyvä hitsattavuus, iskusitkeys ja pinnanlaatu. Lujuuden ansiosta on mahdollista säästää materiaali-, valmistusja kuljetuskustannuksissa sekä saavuttaa näin energiatehokkaampia ratkaisuja. Lisäksi hiilidioksidipäästöt pienenevät vähäisemmän teräksen käytön ja usein suurempien hyötykuormien ansiosta. Ultralujien terästen hitsauksessa täytyy noudattaa tarkasti annettuja hitsausohjeita, joita terästen valmistajat antavat. Yleensä tiukkojen lämmöntuontivaatimuksien takia näiden terästen hitsaus voi olla hyvin vaativaa. Tässä kirjallisuustutkimuksessa perehdytään lujien ja ultralujien terästen hitsattavuuteen, käsitellään perusaineen ja hitsiliitoksen mikrorakennetta sekä tutustutaan niiden ominaisuuksiin. Työ on alun perin tehty Oulun yliopiston konetekniikan osaston materiaalitekniikan syventävän opintojakson 465111S hitsausmetallurgia harjoitustyönä. Alkuperäistä tekstiä on täydennetty ja se palvelee digitalisoinnin hyödyntämiseen erikoisterästen hitsauksen laadunhallinnassa keskittyvän TEKES/EAKR rahoitteisen ArcDigi –hankkeen lähtötietoina.
Asiasanat: ultralujat rakenneteräkset, kuumavalssaus, hitsattavuus
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 11
1 LUJAT JA ULTRALUJAT TERÄKSET Kun teräksiä ryhmitellään lujuuden mukaan, niin ei ole olemassa yhtä virallista standardisoitua terminologiaa, vaan puhutaan yleisesti lujista teräksistä, korkean/matalan myötölujuuden teräksistä, korkealujuuksisista teräksistä, suurilujuusteräksistä, suurilujuuksista teräksistä, erikoislujista teräksistä ja ultralujista teräksistä. Englanninkielen terminologiassa on myös eroja ja lujista teräksistä voidaan käyttää esimerkiksi seuraavia nimiä: HSS (High Strength Steels), HSLA (High Strength Low Alloyed), AHSS (Advanced High Strength Steels) ja UHSS (Ultra High Strength Steels). (Lukkari ym. 2016) EN-standardeissa lujuus määritellään myötölujuusarvon perusteella, jolla tarkoitetaan ohuimman valmistettavan paksuuden myötölujuutta. Joissakin standardeissa lujuus määritellään murtolujuuden mukaan, kuten japanilaisissa JIS -standardeissa. Lujien ja ultralujien terästen myötölujuusarvoissa ei ole täysin yhtenäistä linjaa, joten ne vaihtelevat ultralujille teräksille riippuen lähteestä. Esimerkiksi WorldAutoSteel:n mukaan ultralujien terästen myötölujuus on yli 550 MPa ja murtolujuus yli 700 MPa. SSAB:n ultralujien rakenneterästen myötölujuus on sen sijaan yli 900 MPa. (Lukkari ym. 2016; SSAB a 2017; WorldAutoSteel 2017) Autoteollisuudessa lujat teräkset voidaan jakaa kahteen ryhmään: perinteisiin lujiin teräksiin ja erikoislujiin teräksiin (ks. kuvat 1 ja 2). Perinteisten lujien terästen ryhmään kuuluvat esimerkiksi lämpölujittuvat teräkset (Bake-Hardening, BH) ja niukkaseosteiset suurlujuusteräkset (HSLA). Erikoislujiin teräksiin sen sijaan kuuluvat esimerkiksi kaksoisfaasiteräkset (Dual Phase, DP), monifaasi-teräs (Complex Phase, CP), martensiittiset teräkset (Martensitic Steels, MS) ja TRIP (Transformation Induced Plasticity) teräkset. (Horvath 2004)
12 Renata Latypova & Timo Kauppi
Kuva 1. Perinteisten lujien terästen ja erikoislujien terästen luokittelu myötölujuuden mukaan. (WorldAutoSteel 2017)
Kuva 2. Perinteisten lujien terästen ja erikoislujien terästen luokittelu murtolujuuden mukaan. (Lukkari ym. 2016 b)
WorldAutoSteelin määritelmän mukaan ultralujiin teräksiin siis kuuluvat mm. HSLA, DP, CP, TRIP ja MS teräkset. (WorldAutoSteel 2017) HSLA teräkset ovat mikroseostettuja teräksiä, joissa mikroseosaineena on käytetty niobia (Nb), titaania (Ti) tai vanadiinia (V). Pienistä pitoisuuksista huolimatta mikroseostus voi merkittävästi nostaa teräksen lujuutta ja HSLA terästen myötölujuus voi olla jopa 800MPa. Mikroseosaineet muodostavat hiilen (C) ja typen (N) kanssa karbideja ja nitridejä jotka ovat edellytyksenä hienolle raekoolle ja erkautuslujittumiselle, kun valssausprosessi on hyvin kontrolloitu. HSLA teräksillä on hyvät hitsausominaisuudet matalien hiili-, fosfori- ja rikkipitoisuuksien ansiosta. HSLA terästen käyttösovelluksia ovat esimerkiksi nosturit, rekat ja rakennuslaitteiden komponentit. (Kuoppa ym. 2012)
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 13
Kaksifaasiteräkset (DP) sisältävät nimensä mukaisesti kahta eri faasia. Niiden mikrorakenne koostuu kovasta martensiitista/alabainiitista, sekä pehmeämmästä ferriitistä. Tärkeimpiä seosaineita ovat hiili (C) ja mangaani (Mn). Kaksifaasiterästen ominaisuudet saavutetaan faasimuutoslujittamisella. Lämpökäsittelyllä saadaan haluttu ferriitti/martensiitti jakauma teräkseen ja oikeanlainen martensiitin kovuus. Teräksen lujuus riippuu käytetyistä seosaineista ja lämpökäsittelyssä käytetystä lämpötilasta. Kaksifaasiteräkset ovat hyvin muokattavia teräksiä, joilla on hyvät hitsausominaisuudet. Suurin osa DP terästen käyttösovelluksista ovat autoteollisuudessa, jossa niitä käytetään hyvän muokkauslujittumisen takia, mikä on tärkeää yhteentörmäyksissä. (Kuoppa ym. 2012; Miekk-Oja 1986) TRIP teräkset ovat työstölujittuvia austeniittisia teräksiä, joiden valmistuksen aikana teräkseen muodostuu martensiittia, mikä lisää voimakkaasti muokkauslujittumista ja nostaa teräksen myötölujuutta. TRIP teräksiä yleensä käsitellään termomekaanisesti ennen martensiittitransformaatiota. (Miekk-Oja 1986) Martensiittisissa teräksissä (MS) hiilipitoisuudella on suurin vaikutus lujuuteen. MS teräksillä on hyvä muokattavuus ja ne soveltuvat erityisen hyvin rullamuovaukseen. Teräksillä on myös hyvä hitsattavuus ja suurin osa niiden sovelluksista liittyvät autoteollisuuteen. Martensiittisia teräksiä voidaan hyödyntää esimerkiksi erilaisissa turvaosissa autoissa, sekä osissa jotka ovat alttiina törmäyksille ja kulutukselle. (Kuoppa ym. 2012)
1.1 ULTRALUJAT RAKENNETERÄKSET Ultralujien rakenneterästen tärkein ominaisuus on niiden lujuus. Muita tärkeitä ominaisuuksia ovat: korkea kovuus, hyvä hitsattavuus, iskusitkeys ja pinnanlaatu. Joissakin teräslaaduissa on myös hyvä säänkestävyys. Kovuuden ja lujuuden ansiosta ultralujat teräkset ovat hyvin kulutuskestäviä, mutta se myös vaikuttaa niiden muovattavuuteen. Lujuus mahdollistaa ohuempien seinämänpaksuuksien käytön teräsrakenteissa, jolloin on mahdollista säästää esimerkiksi materiaali-, valmistus- ja kuljetuskustannuksissa ja saavuttaa energiatehokkaampia ratkaisuja. (Lukkari ym. 2016; Kanninen 2011) Ultralujien terästen rakenteista saadaan ohuempia, mikä täytyy ottaa huomioon tuotesuunnittelussa. Perusrakenneteräksiin verrattuna (S235 ja S355) ainepaksuudet pienenevät hyvin paljon siirtyessä ultralujiin teräksiin, mikä vähentää materiaalikustannuksia. Todellinen säästö riippuu kuitenkin suunnitteluratkaisuista ja rakenteeseen kohdistuvista kuormituksista. Kuvassa 3 on annettu esimerkki S355 lujuusluokan teräksen korvaamisesta S690 lujuusluokan teräksellä. Kuvan railomuodoista voidaan huomata, että levynpaksuuden puolittuessa siirryttäessä teräksestä S355 teräkseen S690 railon poikkipinta-ala ja samalla myös tarvittava hitsiainemäärä laskee alle kolmasosaan. Samaa koskee luonnollisesti V-railoja. (Lukkari ym. 2016)
14 Renata Latypova & Timo Kauppi
Kuva 3. Lujuuden vaikutus levynpaksuuteen ja hitsiainemäärään. (Lukkari ym. 2016)
Mekaanisiin ominaisuuksiin vaikuttavat erittäin paljon seosaineet, valssaustapa ja teräkselle tehdyt lämpökäsittelyt. Toivotun mikrorakenteen ja materiaaliominaisuuksien saavuttamiseksi täytyy suunnitella ja tuntea hyvin materiaalin käyttäytymisen korkeissa lämpötiloissa, sekä lämpökäsittelyprosessit. (Kanninen 2011) Ultralujien rakenneterästen myötölujuus on lähteestä riippuen yli 550 – 900 MPa, mutta selkeää ylärajaa ei ole olemassa jatkuvan kehityksen takia. Lujimpien markkinoilla olevien rakenneterästen myötölujuudet ovat noin 1300 MPa, josta esimerkkinä SSAB:n Strenx 1300™ teräs myötölujuudeltaan vähintään 1300 MPa. Rakenneteräksien yhteydessä käytetään standardin SFS-EN 10027-1 mukaista merkintää, jossa on päätunnus ja lisätunnuksia. Päätunnuksessa on S kirjain (Structural Steel), joka tarkoittaa rakenneterästä ja sen jälkeen tuleva numero-osa, joka tarkoittaa teräksen vähimmäismyötölujuutta MPa ohuimman paksuusalueen mukaan. Lisätunnuksessa kerrotaan materiaalistandardista riippuen iskusitkeyden laatuluokka, valssaustapa, lämpökäsittelytila, jne. (Lukkari ym. 2016) Ultralujia teräksiä käytetään paljon rakenteissa, missä massalla ja poikkileikkauksen koolla on merkitystä, esimerkiksi autoteollisuudessa, mobiilinostureissa ja erilaisissa runkorakenteissa (ks. kuva 4). Ultralujan rakenneteräksen kilohinta on kuitenkin suurempi kuin perusrakenneteräksen, joten siirtyminen lujempiin rakenteisiin ei ole aina kannattavaa, sillä pienemmätkin lujuusominaisuudet voivat riittää käytön kannalta. Lujien terästen käytön edullisuus on siis tapauskohtaista ja riippuu rakenteen käyttötarkoituksesta. (Lukkari ym. 2016; Kanninen 2011)
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 15
Kuva 4. Lujuuden vaikutus painonsäästöön, SSAB:n Strenx teräkset verrattuna S355 teräkseen. (Lukkari ym. 2016)
1.2 ULTRALUJIEN RAKENNETERÄSTEN VALMISTUSMENETELMÄT Ultralujia rakenneteräksiä voidaan valmistaa eri tavoin, joista tärkeimmät ovat nuorrutus, termomekaaninen käsittely ja suorakarkaisu. Teräkselle tehdyt käsittelyt ovat yleensä ilmoitettuna kirjainmerkintänä teräksen nimikkeen lisätunnuksessa. Esimerkiksi lyhenne MC tarkoittaa termomekaanisesti valssattua (M) ja kylmämuovaukseen soveltuvaa (C) terästä. (Kanninen 2011) Nuorrutuksessa (QT) kuumavalssattu teräs karkaistaan (engl. Quenching) ja sille tehdään päästökäsittely (engl. Tempering, ks. kuva 5). Karkaisuhehkutuksessa teräs kuumennetaan 5 – 30 °C yli -lämpötilan eli austeniittialueelle. Pitoaika on suhteellisen lyhyt, jotta syntyneessä austeniittisessa mikrorakenteessa ei tapahdu liiallista rakeenkasvua. Karkaisun jälkeen teräksessä on martensiittinen mikrorakenne, jonka sitkeyttä parannetaan lämpötilan alapuolella (noin. 450 – 700 °C) tapahtuvalla päästökäsittelyllä. Päästössä hiili muodostaa karbideja ja martensiittimuutoksen yhteydessä syntyneet jäännösjännitykset laukeavat. Lopputuloksena on hienorakeinen, tasa-aksiaalinen päästömartensiittinen mikrorakenne, joka on sekä luja että sitkeä. (Lukkari ym. 2016) Suorasammutuksessa (DQ) yhdistyy termomekaaninen valssaus, sekä perinteinen karkaisu, millä saadaan aikaan osittain martensiittinen tai bainiittis-martensiittinen mikrorakenne (ks. kuva 6). Suorasammutus eroaa nuorrutuksesta siten, että teräs karkaistaan suoraan valssauksen jälkeen, jolloin prosessi nopeutuu. Suorasammutuksessa on yksi vaihe vähemmän kuin nuorrutuksessa, jolloin säästyy energiaa, mutta prosessi vaatii tarkemman kontrolloinnin. (Lukkari ym. 2016; Lukkari ym. 2016 b; Kanninen 2011)
16 Renata Latypova & Timo Kauppi
Kuva 5. Perinteinen kuumavalssaus ja nuorrutus. (Lukkari ym. 2016 b)
Kuva 6. Suorasammutuksen periaate. (Lukkari ym. 2016 b)
Jos kuumavalssausta suoritetaan rekristallisaatiolämpötilan Tnr alapuolella, niin on kyse termomekaanisesta valssausprosessista. Termomekaaninen käsittely l. TMCP on prosessi, missä on yhdistetty muokkaus ja lämpökäsittely. Prosessin tavoitteena on saada aikaan mahdollisimman hienorakeinen, luja ja sitkeä teräs, samalla parantaen sen hitsattavuutta ja muokattavuutta. Termomekaanisessa valssauksessa austeniitin rakeenkasvu estetään kontrolloiduilla lämpötiloilla ja mikroseostuksella. Lopullinen mikrorakenne riippuu kuitenkin jäähdytysnopeudesta (ks. kuva 7). (Koivisto ym. 2004) Termomekaanisessa valssauksessa teräsaihio kuumennetaan n. 1250 °C lämpötilaan, minkä jälkeen se esivalssataan noin 1150 °C asteen lämpötilassa. Terästä jäähdytetään lähelle A3 -lämpötilaa ja sitten suoritetaan kontrolloitu nauhavalssaus rekristallisaatiolämpötilan alapuolella. Lopuksi teräslevy tai -nauha jäähdytetään kontrolloidusti. (Koivisto ym. 2004)
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 17
Kuva 7. TMCP prosessi. (Koivisto ym. 2004)
1.3 STANDARDIT Ultralujien terästen kehittyessä ja myötölujuuden noustessa standardit eivät ole pysyneet mukana. Tämän takia standardeissa käytetyt lujuusarvot ovat pienemmät kuin terästen todelliset lujuudet, mikä puolestaan hankaloittaa rakenteiden suunnittelua, sillä materiaalin kestävyys joudutaan usein todistamaan materiaalikokeilla. (Lukkari ym. 2016) Ultralujien rakenneterästen kohdalla käytetään rakenneteräksille tarkoitettuja standardeja, joissa lujimmat teräkset ovat standardissa SFS-EN 10025-6 määritellyt nuorrutusteräkset S960Q/QL/QL1 ja standardissa SFS-EN 10149-2 määritelty termomekaanisesti valssattu teräs S960MC. Taulukossa 1 on esitetty kuumavalssattujen terästen standardeista löytyvät ultralujat teräslajit. (Lukkari ym. 2016)
18 Renata Latypova & Timo Kauppi
Taulukko 1. Esimerkkejä lujien rakenneterästen standardeista. (Lukkari ym. 2016) Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 19
2 HITSATTAVUUS Ultralujat teräkset ovat hyvin hitsattavia, mutta niiden hitsauksessa täytyy noudattaa tarkasti annettuja hitsausohjeita, sekä mahdollisesti tehdä ylimääräisiä menetelmäkokeita, jotta oikeat hitsausparametrit saadaan määritettyä. Ultralujia teräksiä voidaan hitsata kaikilla tavanomaisilla menetelmillä. Esimerkiksi SSAB:n Strenx™ terästen hitsauksessa käytetään eniten MAG-hitsausta (hitsausprosessit 135, 136 ja 138), koska se on helposti automatisoitavissa. Muita käytettyjä menetelmiä ovat: puikkohitsaus (hitsausprosessi 111), TIG-hitsaus (hitsausprosessi 141), plasmahitsaus (hitsausprosessi 15), jauhekaarihitsaus (hitsausprosessi 12) ja laserhitsaus (hitsausprosessi 52). Hitsattavuuden kannalta teräkselle tärkeitä ominaisuuksia ovat: lujuus, sitkeys, karkenevuus, kylmähalkeiluherkkyys, kuumahalkeiluherkkyys ja lamellirepeilyherkkyys. (Lukkari ym. 2016, Kanninen 2011, SSAB 2017 b) Hitsauskohdan puhtaus, eli kosteuden ja öljyjäämän poistaminen ennen hitsausta on ensiarvoisen tärkeää. Muita tärkeitä tekijöitä ovat: esikuumennus- ja välipalkolämpötilat, lämmöntuonti, lisäaine, suojakaasu, hitsausjärjestys ja railomuoto liitoksessa. (SSAB 2017 b) Ultralujia rakenneteräksiä hitsattaessa levynpaksuudet ovat yleensä konepajoilla käytettyjä teräksiä ohuempia ja railotilavuudet siten pienempiä. Tämän ansiosta käytetyt hitsiainemäärät pienenevät ja hitsausprosessi nopeutuu. Lujien terästen hitsaus voi kuitenkin olla hyvin vaativaa tiukkojen ja seostamattomia rakenneteräksiä huomattavasti tarkempien lämmöntuontivaatimusten takia. Muita haasteita voivat olla: korkeammat jäännösjännitystasot, pienempi jäykkyys sekä kriittinen vikakoko hitsissä. (Lukkari ym. 2016) Jäännösjännitykset nostavat haurasmurtuman vaaraa, sekä heikentävät väsymiskestävyyttä. Matalalla lämmöntuonnilla jännityksiä saadaan pienemmäksi ja hitsauksen mahdollisella mekanisoinnilla ja automatisoinnilla saadaan tasalaatuisemmat hitsiliitokset. (Lukkari ym. 2016) Hitsin muodolla on tärkeä rooli väsymiskestävyyden kannalta. Väsymiskestävyyttä voidaan parantaa hitsin muotoilulla, hitsausvirheiden minimoimisella, sekä hitsien jälkikäsittelyillä. Jälkikäsittelyistä yleisempiä ovat hionta, TIG-käsittely sekä ultraääni- ja korkeataajuusvasarointi. Käsittelyillä pyritään saamaan hitsistä mahdollisemman juoheva, jotta puristusjännitykset jakaantuisivat laajemmalle alueelle ja lovivai-
20 Renata Latypova & Timo Kauppi
kutusta saataisiin pienennettyä. Lämmöntuonnin ja jälkikäsittelyjen kanssa pitää olla kuitenkin varovainen, jotta perusaineen mikrorakenne ei muuttuisi liikaa. (Lukkari ym. 2016, Kanninen 2011) Ultralujien terästen mahdollistamien ohuempien rakenteiden pienempi jäykkyys voi johtaa erilaisiin taipumiin ja vääntymiin. Pienempi kriittinen vikakoko puolestaan lisää valmistus- ja tarkastuskustannuksia. Hitsauksessa tehtyjen virheiden korjaukset voivat olla myös hankalampia korjata lujien terästen kohdalla, johtuen suuremmista hitsausmuodonmuutoksista. (Lukkari ym. 2016) Hitsattavuutta voidaan arvioida käyttäen erilaisia laskentakaavoja, esimerkiksi CEV- tai CET -hiiliekvivalenttia. Hitsiliitoksessa syntyviä mikrorakenteita, sekä kovuuksia voidaan puolestaan arvioida teräkselle laadittujen jatkuvan jäähtymisen Skäyrien avulla (CCT tai TTT käyrät). (Lukkari ym. 2016, Kanninen 2011)
2.1 HIILIEKVIVALENTTI Hiiliekvivalentilla voidaan määrittää teräksen hitsattavuus sen kemiallisen koostumuksen perusteella. Hiiliekvivalentti kuvaa teräksen karkenevuutta ja sille on olemassa erilaisia laskukaavoja, esimerkiksi CEV, CET ja CEN. Karkenevuuden lisäksi hiiliekvivalentti kuvaa epäsuorasti myös teräksen vetyhalkeilutaipumusta, sillä karkenevuutta lisäävät seosaineet edistävät vetyhalkeilua. (Lukkari ym. 2016) Rakenneterästen ainesstandardeissa hiiliekvivalentin laskemiseen käytetään IIW:n (International Institute of Welding) laskentakaavaa, joka on tunnetuin ja käytetyin:
Toinen paljon käytetty kaava on CET:
Kaavoihin sijoitetaan teräksen sisältämien seosaineiden pitoisuudet painoprosentteina, jolloin saadaan tietty lukuarvo. Ainestodistuksessa on hiiliekvivalentin laskemiseen tarvittavat tiedot tai yleensä jo valmiiksi laskettu hiiliekvivalentti. Kaavaa (1) käytetään määritettäessä esikuumennuslämpötilaa standardin SFS-EN 1011-2 liitteen C, tapaa A sovellettaessa. Kaavaa (2) taas käytetään sovellettaessa samaisen standardin liitteen C, tapaa B. (Lukkari ym. 2016, Kanninen 2011) Esikuumennustarve voidaan määrittää hiiliekvivalentin avulla, koska se liittyy vetyhalkeiluun. Jos hiiliekvivalentin CEV arvo on alle 0.40, niin esikuumennusta ei yleensä tarvita, mutta jos se on yli 0.40 niin sitä tarvitaan riippuen ainepaksuudesta (ks. taulukko 2). (Lukkari ym. 2016)
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 21
Taulukko 2. Esikuumennustarpeen määrittely hiiliekvivalentin CEV avulla. (Lukkari ym. 2016)
Taulukossa 3 on annettu esimerkkejä yhdistetyistä aineenpaksuuksista, jotka voidaan hitsata ilman esikuumennusta. (SFS-EN 1011-2 2001) Taulukko 3. Hitsaus ilman esikuumennusta, rajapaksuuksia. (SFS-EN 1011-2 2001)
Yhdistetty aineenpaksuus on perusaineiden aineenpaksuuksien summa, jossa aineenpaksuudella tarkoitetaan keskimääräistä aineenpaksuutta 75 mm:n matkalla hitsin keskilinjasta. Yhdistettyä aineenpaksuutta käytetään lämmönjohtumisen tarkasteluun ja jäähtymisnopeuden määrittämiseen. Yhdistetyn aineenpaksuuden määrittäminen on esitetty standardin SFS-EN 1011-2:2001 kohdassa C.2.4.
22 Renata Latypova & Timo Kauppi
2.2 LÄMMÖNTUONTI JA t8/5 -AIKA Lämmönsiirtyminen voi tapahtua kolmella eri tavalla: 1) johtumalla, 2) konvektion avulla tai 3) säteilemällä. Jähmettyneessä hitsiliitoksessa suurin osa lämmöstä siirtyy johtumalla. Sulassa tilassa olevassa hitsissä Lämmöntuonnilla Q tarkoitetaan hitsiin tuotua lämpömäärää hitsauksen aikana. Mitä suurempi lämmöntuonti on, niin sitä hitaammin hitsi jäähtyy mikä vaikuttaa lopulliseen mikrorakenteeseen. Suurempi lämmöntuonti edesauttaa myös vedyn poistumista hitsistä. Lämmöntuonti voidaan laskea kaavalla:
missä k = terminen hyötysuhde, I = hitsausvirta [A], U = kaarijännite [V], v = hitsausnopeus [mm/s tai cm/min] Terminen hyötysuhde k on hitsausprosessikohtainen vakio. Se saa arvoja taulukon 4 mukaisesti. Taulukko 4. Terminen hyötysuhde k. (SFS-EN 1011-1 2009)
Lämpötila-aika -syklillä hitsauksen aikana on huomattava vaikutus hitsausliitoksen mekaanisiin ominaisuuksiin. Tähän sykliin vaikuttavat erityisesti aineenpaksuus, hitsityyppi, lämmöntuonti ja esikuumennuslämpötila. Yleensä käytetään jäähtymisaikaa t8/5 kuvaamaan hitsipalon lämpötila-aika -sykliä hitsauksen aikana. Tällä ajalla tarkoitetaan lämpötila-alueen 800...500 °C ohittamiseen kulunutta aikaa. (SFS-EN 1011-2 2001)
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 23
Asianmukaiset jäähtymisajat t8/5 täyttö- ja pintapalkojen hitsauksessa ovat lujille seostamattomille ja niukkaseosteisille ferriittisille teräksille välillä 10...25 s. Jäähtymisaikaa voidaan arvioida laskennallisesti standardissa SFS-EN 1011-2 liitteessä D esitetyillä kaavoilla. Hitsausolosuhteiden ja jäähtymisajan välinen yhteys voidaan esittää yhtälöillä sekä kaksidimensionaaliselle että kolmidimensionaaliselle lämmönjohtumiselle (ks. kuva 8). Kolmedimensionaalinen (3D) lämmönjohtuminen pätee suhteellisen paksuille levyille ja aineenpaksuus ei vaikuta jäähtymisaikaan. Kaksidimensionaalisessa (2D) tapauksessa aineenpaksuus vaikuttaa jäähtymisaikaan ja sitä tapahtuu suhteellisen ohuilla levyillä. (SFS-EN 1011-2 2001)
Kuva 8. Lämmönjohtumistavat hitsauksessa, 1 = palko, a) 3-D lämmönjohtuminen ja b) 2-D lämmönjohtuminen. (SFS-EN 1011-2 2001)
Paksuutta, jossa tapahtuu lämmönjohtumisen muuttuminen 2D → 3D, kutsutaan transitiopaksuudeksi dt ja se riippuu lämmöntuonnista Q ja esikuumennuslämpötilasta Tp kuvan 9 mukaisesti. (SFS-EN 1011-2 2009)
Kuva 9. Kaksidimensionaalisen ja kolmidimensionaalisen lämmönjohtumisen välinen transitiopaksuus dt lämmöntuonnin Q funktiona eri esikuumennuslämpötiloille Tp. (SFS-EN 1011-2 2009)
24 Renata Latypova & Timo Kauppi
Jos lämmönjohtuminen on kolmidimensionaalinen, jäähtymisaika on riippumaton aineenpaksuudesta. Jäähtymisaika voidaan laskea seuraavasta yhtälöstä:
Seostamattomille ja niukkaseosteisille teräksille yhtälö voidaan muuntaa yhtälöksi (4), joka ottaa huomioon liitosmuotokertoimen F3 taulukosta 5:
Jos lämmönjohtuminen on kaksidimensionaalista, jäähtymisaika riippuu aineenpaksuudesta. Jäähtymisaika voidaan tällöin laskea seuraavasta yhtälöstä:
Seostamattomille ja niukkaseosteisille teräksille yhtälö (5) voidaan muuntaa yhtälöksi (6), joka ottaa huomioon liitosmuotokertoimen F2 (ks. taulukko 5):
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 25
Taulukko 5. Liitosmuotokertoimen vaikutus jäähtymisaikaan t8/5. (SFS-EN 1011-2 2001)
Kun jäähtymisaika t8/5 kasvaa, iskusitkeys yleensä heikkenee, mikä ilmenee muutosvyöhykkeen iskuenergian laskuna ja transitiolämpötilan nousuna (ks. Kuva 10). Tämä johtuu siitä, että heti sularajan vieressä lämpötila nousee niin korkeaksi, että austeniitin raekoko pääsee kasvamaan suureksi. Tämä puolestaan johtaa austeniitin hajaantuessa karkeaan mikrorakenteeseen, joka heikentää iskusitkeyttä. Sitkeyden heikkeneminen riippuu teräksen tyypistä ja kemiallisesta koostumuksesta. Kuvassa 10 nähdään esimerkki lämmöntuonnin vaikutuksesta kuumavalssatun seostamattoman S355JR rakenneteräksen perinnäisen austeniitin raekokoon sularajan vieressä muutosvyöhykkeellä. Kuvassa on rajattu austeniittirakeita mustalla viivalla ja siitä nähdään selvästi kuinka suurempi lämmöntuonti (1.6 kJ/mm vs. 0.8 kJ/mm) on johtanut suurempaan raekokoon.
26 Renata Latypova & Timo Kauppi
Kuva 10. Päällehitsatun S355JR teräksen mikrorakennetta kahdella lämmöntuonnilla, a) 1.6 kJ/mm ja b) 0.8 kJ/mm. (©Timo Kauppi 2018)
2.3 JATKUVA JÄÄHTYMINEN Teräksen valmistuksessa ja varsinkin hitsauksessa jäähtyminen on nopeaa ja austeniitin hajaantuminen tasapainon mukaisesti ei ole mahdollista. Syntyvä faasirakenne riippuu teräksen koostumuksesta ja jäähtymisnopeudesta ollen ferriittiä, perliittiä, bainiittia, martensiittiä tai niiden muodostamia sekarakenteita. Rakenteen arvioimiseksi etukäteen ei voida käyttää edellä esitettyjä faasidiagrammeja, jotka kuvaavat tilannetta termodynaamisessa tasapainossa. Tähän tarkoitukseen on kehitetty nk. jatkuvan jäähtymisen käyriä, joita on kahden tyyppisiä: 1. isotermisissä olosuhteissa määritettyjä TTT – diagrammeja (engl. Time-Temperature-Transformation) ja 2. aidosti jatkuvan jäähtymisen olosuhteissa määritettyjä CCT – diagrammeja (engl. Continuous-Cooling-Transformation). Näistä parhaiten hitsauksessa ja lämpökäsittelyissä syntyvien mikrorakenteiden ennustamiseen soveltuvat jälkimmäiset. (Lukkari ym. 2016 b) Kuvassa 11 nähdään esimerkki S690Q nuorrutusteräksen CCT – käyrästä. Siitä saadaan informaatiota eri jäähtymisnopeuksilla syntyvistä austeniitin hajaantumistuotteista ja loppukovuudesta.
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 27
Kuva 11. Jatkuvan jäähtymisen CCT-käyrät nuorrutetulle rakenneteräkselle S690Q sekä syntyvät mikrorakenteet ja kovuus, austenitointilämpötila 1300 °C. (Lukkari ym. 2016)
28 Renata Latypova & Timo Kauppi
3 STRENX™ TERÄKSET Ruotsalais-suomalainen teräsyhtiö SSAB valmistaa Strenx™ tuoteryhmään kuuluvia lujia ja ultralujia teräksiä, joihin kuuluvat kuumavalssatut korkean suorituskyvyn omaavat rakenneteräkset joiden myötölujuus vaihtelee välillä 600 – 1300 MPa. Nuorrutettujen Strenx™ terästen entinen tuoteryhmän nimi oli Weldox 700 –1300 ja termomekaanisesti valssattujen Strenx™ MC terästen Optim/Domex 600 –1100. Nuorrutetut Strenx™ teräkset jaetaan E ja F ryhmiin niiden iskusitkeyden mukaan. (Lukkari ym. 2016; SSAB 2017) SSAB:n Strenx™ teräkset luokitellaan erikoislujiksi/ultralujiksi teräksiksi. Terästen yhteydessä käytetään merkintöjä MC, PLUS, CR, OME. M tarkoittaa termomekaanisesti valssattua, C kylmämuovattavaa, CR kylmävalssattua, OME teräs on offshore rakenteisiin tarkoitettu teräs ja PLUS teräs on termomekaanisesti valssattu, mutta sillä on parempi kylmämuovattavuus kuin pelkällä MC teräksellä. Teräkset joiden myötölujuus on välillä 600 – 900 MPa, luokitellaan erikoislujiksi teräksiksi ja teräkset joiden myötölujuus on yli 900 MPa ovat ultralujia teräksiä. (Lukkari ym. 2016; SSAB 2017) Tässä kirjallisuusselvityksessä käsitellään kuumavalssattuja Strenx™ tuoteryhmän 700 – 900 MPa erikoisteräksiä, sekä 900 – 1300 MPa ultralujia teräksiä. Ryhmän CR ja OME teräkset jätetään huomioimatta.
3.1 MEKAANISET OMINAISUUDET Strenx™ teräksissä yhdistyy korkea lujuus ja kovuus. Teräksille taataan 27J iskuenergia T = -40 °C lämpötilassa, mutta tyypillisesti terästen mekaaniset ominaisuudet, kuten myötö- ja murtolujuus sekä erityisesti iskusitkeys ylittävät luvatut minimiarvot. Huolimatta teräksen suuresta myötölujuudesta, voidaan sitä työstää niin kuin tavallista terästä. Strenx™ teräksillä on myös erinomainen pinnanlaatu, sekä tarkat arvot paksuuden, tasomaisuuden ja särmättävyyden osalta. (SSAB 2017 b; Stemne ym. 2017) Strenx™ teräksen käyttökohteita ovat erilaiset rakenteet, missä keveydestä on hyötyä. Keveydestä huolimatta rakenteiden suorituskyky, turvallisuus ja käyttöikä säilyvät hyvänä. Sovelluskohteita on esimerkiksi kantavissa rakenteissa, kuljetusalalla, maa- ja metsäsovelluksissa, sekä offshore rakenteissa. (SSAB 2017 b)
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 29
3.2 STANDARDIVASTAAVUUDET JA TOIMITUSTILAT Strenx™ kuumavalssatut teräkset täyttävät kahden standardin vaatimukset: SFS-EN 10025-6 ja SFS-EN 10149-2. Osalle teräksistä ei ole olemassa standardivastaavuutta. Strenx™ teräksillä on 4 erilaista toimitustilaa, joista tärkeimmät ovat termomekaanisesti valssatut ja nuorrutetut teräkset. Teräkset ja niiden standardivastaavuudet on annettu taulukossa 6. Kuumavalssattuja Strenx teräksiä on mahdollista saada kvarttolevy- tai nauhatuotteina. Taulukko 6. Strenx™ teräksiä, standardivastaavuudet ja toimitustilat.
3.3 MIKRORAKENNE
Nuorrutusteräkset ovat suhteellisen matalahiilisiä, niukkaseosteisia ja mikroseostettuja hienoraeteräksiä, joilla on luja ja sitkeä päästömartensiittinen mikrorakenne. Nuorrutusterästen karkenevuutta parannetaan sopivilla seosaineilla, esimerkiksi C, Mn, Cr, Ni, Mo, V ja B. Hienorakeisuuteen vaikutetaan mikroseostuksella, jolloin käytetään: Ti, Al ja Nb. Seostus vaikuttaa teräksen hiiliekvivalenttiin, joka puolestaan hitsattavuuteen ja vetyhalkeilun riskiin. Strenx™ terästen E ja F laadut ovat nuorrutettuja QL ja QL1 teräksiä. (Lukkari ym. 2016) Termomekaanisesti valssatut kylmämuovattavat teräkset ovat myös hienoraeteräksiä, joiden mikroseostuksessa voidaan käyttää Nb, V ja Ti. Lujimmat MC teräkset ovat mikrorakenteeltaan bainiittis-martensiittisia hiilimangaaniteräksiä, jotka sisältävät myös pieniä määriä muita seosaineita. Strenx™ MC ja Strenx™ PLUS teräkset ovat termomekaanisesti valssattuja, kylmämuovattavia teräksiä. (Lukkari ym. 2016) Terästen standardien SFS-EN 10025-6 ja SFS-EN 10149-2 mukaiset kemialliset koostumukset on annettu taulukoissa 7 ja 8.
30 Renata Latypova & Timo Kauppi
Taulukko 7. Nuorrutettujen terästen kemiallinen koostumus. (SFS-EN 10025-6 2009) Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 31
32 Renata Latypova & Timo Kauppi
Taulukko 8. Termomekaanisesti valssattujen terästen kemiallinen koostumus, sulatusanalyysi. (SFS-EN 10149-2 2013)
3.4 HITSATTAVUUS Nuorrutettujen terästen standardi (SFS-EN 10025-6 2009) sanoo yhteenvetona hitsattavuudesta seuraavaa: ”Tämän eurooppalaisen standardin mukaisten terästen hitsattavuus eri menetelmillä on rajallinen. Terästen käyttäytyminen hitsauksen aikana ja sen jälkeen riippuu materiaaliominaisuuksien lisäksi myös työkappaleen mitoista ja muodoista sekä valmistus- ja käyttöolosuhteista. Tämän standardin mukaisten terästen kaarihitsauksen yleiset vaatimukset esitetään standardissa SFS-EN 1011-2. Tuotteen paksuuden ja lujuuden kasvaessa hitsin kylmähalkeamavaara kasvaa. Kylmähalkeaman aiheuttavat seuraavat tekijät yhdessä: vedyn määrä hitsiaineessa, muutosvyöhykkeen hauras rakenne ja suuret vetojännitykset hitsausliitoksessa”. (Lukkari ym. 2016) Nuorrutuksella saadaan aikaan luja ja sitkeä päästömartensiittinen mikrorakenne. Teräksen seostus pystytään pitämään kohtuullisena ja hitsattavuus verrattain hyvänä. Standardissa hiilipitoisuudelle on enimmäisarvo 0,20%, joka koskee kaikkia teräslajeja yksilöimättä eri teräslajeja. Hiiliekvivalentin (CEV) enimmäisarvo vaihtelee teräslajin mukaan 0,47% (S460Q) – 0,82% (S890Q), kun nimellispaksuus on alle 50 mm. Nuorrutettujen terästen hitsattavuus vaihtelee teräslajin ja hiiliekvivalentin mukaan. Eri valmistajien saman lujuusluokan terästen kohdalla voi olla myös eroja hitsattavuudesta. (Lukkari ym. 2016) Yleisesti nuorrutusterästen hitsattavuutta pidetään hyvänä, mutta seostuksen ja lujuuden kasvaessa myös vetyhalkeilutaipumus, esikuumennustarve ja lämmöntuontirajoitukset kasvavat. Tärkeitä asioita jotka täytyy ottaa huomioon hitsauksessa ovat: hitsausprosessin valinta ja suunnittelu, hitsauslisäaineen valinta, esikuumennus- ja välipalkolämpötila, lämmöntuonti ja jäähtymisaika . Tiukemmat lämmöntuontirajoitukset koskevat hitsimetallia ja muutosvyöhykettä hitsausliitoksen iskusitkeys ja lujuusominaisvaatimuksien takia. Strenx™ terästen esikuumennuslämpötilat määritetään normaalien määritystapojen avulla, esim. SFS-EN 1011-2 (tapa A ja B) tai joku muu tapa, esim. terästehtaiden omat julkaisut (esim. SSAB ja ThyssenKrupp Stahl). Määrityksessä voidaan käyttää myös SSAB:n julkaisemaa WeldCalc™ 2.2 websovellusta. Välipalko- eli työlämpötila on yleensä sama. Hitsauksessa käytetyn lisäaineen vetypitoisuus ei saa ylittää vetyluokkaa H5 (max 5 ml/100 g) ja lisäaineen käsittelyyn, varastointiin ja mahdolliseen uudelleenkuivaukseen täytyy kiinnittää huomiota ylimääräisen vedyn välttämiseksi. (Lukkari ym. 2016) Nuorrutusterästen hitsauksessa on kontrolloitava jäähtymisaikaa t8/5 ja sitä kautta lämmöntuontia suhteellisen tarkasti karkenemistaipumuksen ja siihen liittyvän vetyhalkeiluriskin takia sekä liitoksen lujuus- ja sitkeysominaisuuksien varmistamisen takia. Lämmöntuonnin vähimmäisarvo määräytyy vetyhalkeamariskin välttämisen perusteella, sillä liitoksen nopean jäähtymisen seurauksena syntyvä martensiittinen mikrorakenne on altis vetyhalkeamille. Erittäin nopean jäähtymisen seurauksena myös martensiittisen mikrorakenteen sitkeys heikkenee esim. laser- ja laserhybridihitsatuissa liitoksissa. Vetyhalkeilutaipumuksen kriteerinä käytetty enimmäiskovuus varmistaa yleensä myös riittävän sitkeyden. (Lukkari ym. 2016)
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 33
Hitsauksen lämmöntuonnin enimmäisarvo määräytyy liitoksen karkearakeisen vyöhykkeen iskusitkeyden transitiolämpötilan ja liitoksen lujuuden perusteella. Liitoksen karkearakeisen vyöhykkeen (CGHAZ) iskusitkeyttä heikentää lämmöntuonnin kasvaessa tapahtuva austeniitin rakeenkasvu ja sen seurauksena austeniitti/ferriitti-faasimuutoksessa muodostuvat hauraat rakenteet. Liitoksen pehmeneminen lämmöntuonnin kohotessa johtuu korkeahiilisten mikrorakenteiden (karbidit ja mahdolliset M-A -saarekkeet) muodostumisesta perinnäisen austeniitin raerajoille ja sen seurauksena tapahtuvasta hiilipitoisuuden alenemisesta rakeiden sisäosissa liitoksen osittain austenitoituneessa vyöhykkeessä. Myös karbidien palloutuminen ja mahdollinen martensiitin pääseminen muutosvyöhykkeen ja perusaineen raja-alueella alentaa liitoksen lujuutta lämmöntuonnin kohotessa. (Lukkari ym. 2016) Termomekaanisten kylmämuovattavien terästen hitsattavuus on yleensä hyvä, koska ne ovat matalahiilisiä ja levynpaksuudet melko ohuita. Hiiliekvivalentin arvot ovat myös matalia, sillä seosainepitoisuudet ovat pienempiä, jolloin vetyhalkeiluriski laskee. Esikuumennuksen tarvetta ei yleensä ole, jos hitsauksessa käytetään tarpeeksi matalavetyistä lisäainetta. Lujimmille teräksille lisäaineen vetyluokka on H5. (Lukkari ym. 2016) SSAB on ilmoittanut Strenx™ teräksille tyypilliset hiiliekvivalentit, sekä muita hitsaukseen tarvittavia tietoja, kuten esikuumennuslämpötilan, välipalkolämpötilan ja jäähtymisajan. (SSAB 2017c)
34 Renata Latypova & Timo Kauppi
4 ULTRALUJIEN TERÄSTEN HITSAUS Teräksillä hitsaus on hyvä ja yleisimmin käytetty liitostapa. Hitsauksessa osat liitetään yhteen käyttämällä hyväksi lämpöä tai/ja puristusta (vrt. sulahitsaus / puristushitsaus, SFS-EN 14610 2004), niin että ne muodostavat jatkuvan liitoksen. Useimmissa hitsausprosesseissa hyödynnetään lämpöä, joka sulattaa käytetyn lisäaineen sekä hitsattavan materiaalin eli perusaineen railopinnat, jolloin muodostuu hitsisula. Käytetyn lisäaineen lämpötila on likimain sama kuin perusaineella ja kun hitsiliitoksen alueella lisäaineen ja perusaineen lämpötila nousee sulamispisteen yläpuolelle, niin kiderakenteessa alkaa tapahtua muutoksia. Jähmettynyt hitsisula muodostaa hitsin, joka liittää osat yhteen. Ultralujia teräksiä voidaan yleensä hitsata käyttäen kaikkia tavanomaisia hitsausmenetelmiä, joista MAG hitsaus on yleisin. (Kanninen 2011; SSAB 2017 c; Esab 2017) Hitsausliitoksen alueella kaarihitsauksessa valokaaren aiheuttaman voimakkaan lämpösyklin seurauksena lämpö siirtyy säteilemällä ympäröivään atmosfääriin ja johtumalla perusaineeseen. Hitsimetalliin syntynyt mikrorakenne riippuu sen koostumuksesta, jähmettymistavasta, eri hitsausparametreista, sekä jäähtymisnopeudesta. Hitsimetallissa perusaine ja lisäaine ovat sulaneet ja sekoittuneet muodostaen seoksen joka käy läpi kaikki lämpötilan muutokset valokaaresta huoneen lämpötilaan ja sen mikrorakenne voi poiketa paljon perusaineen mikrorakenteesta. Mikrorakennemuutoksia tapahtuu myös perusaineessa, jolloin puhutaan lämpövyöhykkeestä eli HAZ:sta (Heat Affected Zone). Muuttuva lämpösykli aiheuttaa muutoksia perusaineen mikrorakenteessa kiinteässä olotilassa ja sillä on suuri merkitys hitsiliitoksen ominaisuuksien ja käytettävyyden kannalta, sillä lämpövyöhyke muodostuu yleensä hitsauksessa hyvin laajaksi. Lämpövyöhykkeen lisäksi hitsausliitoksen alueelle muodostuu 5 eri vyöhykettä lämmöntuonnin ansiosta (ks. kuva 12). Vyöhykkeet käydään läpi tarkemmin seuraavassa luvussa. (Lukkari ym. 2016)
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 35
Kuva 12. Teräksen hitsauksessa muodostuneet hitsausliitoksen vyöhykkeet. (Lukkari ym. 2016b)
4.1 SEOSTAMATTOMAN RAKENNETERÄKSEN HITSILIITOKSEN MIKRORAKENNE Hitsauksessa lämpöä johtuu perusaineeseen ja mikrorakenne muuttuu sitä enemmän mitä lähempänä sularajaa ollaan eli mitä korkeammassa lämpötilassa teräs paikallisesti käy. Kauempana hitsausliitoksen sularajasta muutokset ovat pienemmät, sillä siellä lämpötila on noussut vähemmän hitsaussyklin aikana. Hitsausliitos voidaan jakaa vyöhykkeisiin, joissa lämpötilavaikutukset aikaansaavat erilaisia rakennemuutoksia. Mikrorakenteeseen vaikuttavia tekijöitä ovat: teräksen kemiallinen koostumus, lämpösyklin huippulämpötila ja lämpötilan nousunopeus, oloaika huippulämpötilassa ja jäähtymisnopeus. (Lukkari ym. 2016; Kanninen 2011) Perinteisesti oppikirjoissa hitsiliitoksen mikrorakenne käydään läpi käyttäen esimerkkinä seostamattomia rakenneteräksiä. Kuvassa 13 nähdään periaatekuva päittäishitsin lämpösyklistä ja seostamattoman rakenneteräksen HAZ:ssa esiintyvistä vyöhykkeistä: A. Hitsimetalli, joka on perusaineen ja puhtaan hitsiaineen muodostama seos ja käy hitsauksessa läpi kaikki lämpötilat kaarihitsauksen valokaaresta huoneen lämpötilaan. B. Sularaja-alue, jossa on osittain sulanut vyöhyke ja sekoittumattoman, sulaneen perusaineen vyöhyke. C. Karkearakeinen vyöhyke, CGHAZ (lämpötila 1100 – 1500 °C), joka on käynyt täysin austeniittisena ja jossa raekoko on kasvanut. Mikrorakenne on martensiittia, bainiittia tai ferriittis-perliittinen.
36 Renata Latypova & Timo Kauppi
D. Hienorakeinen vyöhyke, FGHAZ, jossa lämpötila on käynyt austeniittialueella, A3-lämpötilan yläpuolella lämpötilavälillä 850 – 1100 °C. Rakenne on normalisoitunut, riippuen jäähtymisnopeudesta ja teräksen koostumuksesta mikrorakenne on bainiittinen tai ferriittis-perliittinen. E. Osittain austenitoitunut vyöhyke, ICHAZ, jossa lämpötila on ollut A1- ja A3 –lämpötilojen välissä (750 – 850 °C). Raekoko on suunnilleen perusaineen luokkaa. F. Karbidien palloutumisvyöhyke (lämpötila 600 – 750 °C) vastaa nuorrutusta korkeassa lämpötilassa, millä saadaan aikaan bainiittisen tai martensiittisen rakenteen pehmenemistä.
Kuva 13. Seostamattoman rakenneteräksen (esim. S355J2) päittäishitsiliitoksen lämpösykli ja vyöhykkeet. (Lukkari ym. b 2016)
Käytännössä nykyiset seostamattomat SFS-EN 10025-3 mukaiset normalisoidut ja SFS-EN 10025-4 mukaiset termomekaanisesti valssatut S355 – lujuusluokan teräkset sisältävät niin vähän hiiltä, että perliitin määrä on hyvin pieni ja karkenevuus vähäistä. Kuvassa 14 nähdään esimerkki paksuudeltaan d = 10 mm S355MC teräksen T-liitoksen CGHAZ- ja FGHAZ –vyöhykkeistä. Käytännössä HAZ:n kovuus on lähes sama kuin perusaineella eli mikrorakenne ei sisällä bainiittia eikä martensiittia. Hitsauksessa käytetty lämmöntuonti oli Q = 1.44 kJ/mm. Standardin SFS-EN 1011-2:2001 liitteen C
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 37
mukaan T-liitoksen yhdistetty aineenpaksuus on 30 mm. Hitsauksessa ei ole käytetty esikuumennusta. Standardin SFS-EN 1011-2:2001 kuvan D.4 (ks. kuva 14) mukaan kyseessä on 3D –lämmönjohtuminen ja tällöin kaavalla (4) laskettuna t8/5 = 5.2 s.
Kuva 14. S355MC teräksen T-liitos (Q = 1.44 kJ/mm, t8/5 = 5.2 s), a) hienorakeinen vyöhyke (FGHAZ) ja b) karkearakeinen vyöhyke (CGHAZ) sekä hitsi.
4.2 ULTRALUJAN RAKENNETERÄKSEN HITSILIITOKSEN MIKRORAKENNE Kun tarkastellaan ultralujien terästen hitsiliitoksen mikrorakennetta, niin ensimmäisenä pitää ymmärtää se, että perusaineen mikrorakenne on täysin erilainen kuin seostamattomilla rakenneteräksillä. Kuten luvuissa 2.2 ja 4.3 esitettiin, on ultralujien terästen mikrorakenne yleensä martensiittinen. Tämä merkitsee sitä, että hitsauksessa lämpövyöhykkeellä on saatava aikaiseksi sellainen lämpösykli, joka johtaa samanlaiseen mikrorakenteeseen. Liian hidas jäähtymisnopeus johtaa siihen, että austeniitin hajaantuessa ei saada aikaiseksi ominaisuuksiltaan perusaineen kaltaista mikrorakennetta (ks. kuva 15). Tämä johtuu pääasiassa kahdesta syystä: liiallisesta austeniitin rakeenkasvusta ja pehmeiden faasien (lähinnä bainiitti ja MA -saarekkeet) muodostumisesta.
Kuva 15. Austeniitin hajaantumistuotteet jäähtymisnopeudesta riippuen.
38 Renata Latypova & Timo Kauppi
Markku Pirisen väitöstyössä on tarkasteltu yksityiskohtaisesti S690 lujuusluokan nuorrutettujen ja termomekaanisesti valssattujen terästen hitsiliitoksen mikrorakennetta. Väitöstyössä tutkittujen nuorrutusterästen (QT) hiilipitoisuus vaihteli välillä 0.13 – 0.16% ja perusaineen mikrorakenteessa oli bainiittia ja päästömartensiittia (ks. kuva 16 a). Perinnäisen austeniitin raekoko oli luokkaa 5 – 6 µm. Termomekaanisesti valssattujen terästen hiilipitoisuus oli selvästi matalampi ollen luokkaa 0.05% ja niiden mikrorakenne oli bainiittis-ferriittinen (ks. Kuva 16 b). Raekoko oli luokkaa 3 µm eli erittäin pieni. Näin pieni raekoko saadaan aikaiseksi tarkasti kontrolloidulla termomekaanisella valssausprosessilla. (Pirinen 2013)
Kuva 16. Kahden lujan teräksen mikrorakennetta, a) S690QT ja b) S690ML. (Pirinen 2013)
Teräkset ovat hyvä esimerkki siitä, kuinka erinomaiset mekaaniset ominaisuudet, tässä tapauksessa korkea lujuus ja hyvä iskusitkeys, voidaan saada aikaan erilaisella koostumuksella ja valmistuspraktiikalla. Hitsauksen kannalta on tärkeää tietää, miten lujuus on saatu aikaan, ja mikä on perusaineen mikrorakenne, koska muutosvyöhykkeeseen kohdistuva lämpösykli vaikuttaa terästen ominaisuuksiin eri tavalla. Molempien teräksien muutosvyöhykkeeseen syntyy samankaltaisia vyöhykkeitä kuin seostamattomiin rakenneteräksiin: CGHAZ, FGHAZ, ICHAZ ja SCHAZ (Subcritical HAZ, ks. kuva 17).
Kuva 17. HAZ:n vyöhykkeet, periaatekuva. (Davis & King 1994)
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 39
4.2.1 CGHAZ
Heti sularajan vieressä sijaitsevassa CGHAZ –vyöhykkeessä lämpötila on käynyt niin, korkealla, että austeniitin rakeenkasvu on ollut voimakasta. Kuvassa 18 on esitetty austeniitin raekoon riippuvuus lämpötilasta seostamattomalla S355JR teräksellä eri pitoajoilla. Raekoon kasvu on mallinnettu Oulun yliopiston materiaali- ja tuotantotekniikan tutkimusyksikön käytössä olevalla JMatPro® simulointiohjelmistolla. Kuvasta nähdään, että raekoko alkaa kasvaa huomattavasti, kun lämpötila nousee noin 1050 °C:seen.
Kuva 18. Austeniitin raekoko eri lämpötiloissa, pitoaika 0.1, 1, 10 ja 100 s. (Kauppi 2018)
Suurimmat rakeet ovat alueella, jossa lämpötila on käynyt korkeimmalla eli lähimpänä hitsimetallia. Raekoko voi olla 5 – 15 kertainen verrattuna muuttumattoman perusaineen raekokoon, riippuen teräksen kemiallisesta koostumuksesta. Tietyt seosaineet (mm. Nb ja Ti) rajoittavat rakeenkasvua tehokkaasti jopa 1300 °C lämpötilaan saakka. Kun lämmöntuontia rajoitetaan liitoksessa, niin CGHAZ on kapeampi ja raekoko jää pienemmäksi (ks. kuva 19). Aika, jolloin lämpötila on välillä 1100 – 1500 °C on suhteellisen lyhyt, joten CGHAZ vyöhyke on kapeampi verrattuna muihin HAZ:n vyöhykkeisiin. Suurin raekoon seurauksena teräksen iskusitkeys laskee. (Stemne ym. 2017)
40 Renata Latypova & Timo Kauppi
Kuva 19. HAZ:n leveys ja vyöhykkeet pienellä ja suurella lämmöntuonnilla. (Stemne ym. 2017)
Pirisen väitöskirjatutkimuksessa tutkitun S690QT teräksen raekoko kasvoi CGHAZ vyöhykkeessä n. 75 µm eli melkein 14 –kertaiseksi perusaineen raekokoon verrattuna. Kuvassa 20 nähdään molempien terästen CGHAZ mikrorakennetta. (Pirinen 2013)
Kuva 20. CGHAZ mikrorakennetta, a) S690QT ja b) S690MC. (Pirinen 2013)
Termomekaanisesti valssatun S690ML teräksen CGHAZ –vyöhykkeessä perinteiset austeniitin raerajat saadaan syövyttämällä hyvin näkyviin, joten raekoon määrittäminen on suhteellisen helppoa. Austeniitin raekoko oli kasvanut suuremmaksi kuin S690QT teräksessä ollen 89 µm, mikä merkitsee raekoon kasvua lähes 30 –kertaiseksi. (Pirinen 2013) Lämpötilan lasku CGHAZ –vyöhykkeessä on niin nopeaa, että austeniitin hajaantuminen tapahtuu alabainiitiksi ja/tai martensiitiksi. Tämä johtaa suureen kovuuteen, joka oli S690QT teräksellä luokkaa 300 – 340 HV martensiitissa ja noin 300 HV bainiitissa.
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 41
4.2.2 FGHAZ
Hienorakeisella vyöhykkeellä maksimilämpötila on välillä 900 – 1100 °C hitsauksen aikana. Tämä johtaa rakenteen normalisoitumiseen ja tämän ansiosta erittäin pieneen raekokoon, mikä nostaa sitkeyttä. Mikrorakenne on maksimilämpötilan kohdalla austeniittia, mutta jäähtymisen jälkeen se hajaantuu martensiitiksi tai bainiitiksi. (Stemne ym. 2017) Pirisen tutkimuksessa 690QT teräksellä FGHAZ –vyöhykkeen raekoko oli luokkaa 4 µm. Faasirakenne oli tässä vyöhykkeessä lähempänä tasapainon mukaista austeniitin hajaantumista eli polygonaalista ferriittiä ja yläbainiittia. Ferriitin kovuus oli 210 HV ja bainiitin 230 HV. (Pirinen 2013) 4.2.3 ICHAZ
Osittain austenitoituneella vyöhykkeellä maksimilämpötila on välillä 750 – 850 °C. Mikrorakenne voi olla lämpösyklin aikana austeniittinen, päästömartensiittinen ja joissakin tapauksissa bainiittinen. Jäähtymisen jälkeen mikrorakenteessa esiintyy päästömartensiittia, bainiittia ja perliittiä. Rakenteessa olevat karbidit (pääasiassa sementiittiä) palloutuvat ja kasvavat (ks. kuva 21). Raekoko pysyy suhteellisen pienenä hitsauksen aikana ja sen jälkeen, mutta se on yleensä suurempi kuin FGHAZ:n alueella. ICHAZ:n alueella kovuus voi olla melko pieni. (Pirinen 2013; Stemne ym. 2017)
Kuva 21. S690QT teräksen ICHAZ –vyöhykkeen mikrorakennetta. (Pirinen 2013)
42 Renata Latypova & Timo Kauppi
4.2.4 SCHAZ
Englanninkielisessä terminologiassa tästä muutosvyöhykkeen viimeisestä alueesta ennen perusainetta käytetään nimityksiä ”Subcritical Heat Affected Zone (SCHAZ)” tai ”Tempering Zone”. Suomenkielinen termi on ”karbidien palloutumisvyöhyke”. Lämpötila ei tässä vyöhykkeessä nouse A1 –lämpötilan yläpuolelle eli on alle 710 °C. Mikrorakenteessa tapahtuu lähinnä karbidien muodostumista raerajoille ja siinä jo olevien karbidien, siis pääasiassa sementiitin (Fe3C) palloutumista ja karkenemista. (Pirinen 2013; Stemne ym. 2017)
4.3 HAZ:N LEVEYS HAZ:n eri vyöhykkeiden leveydet riippuvat hitsauksessa käytetystä lämmöntuonnista sekä esikuumennuksen lämpötilasta. Ultralujilla teräksillä on seostamattomia rakenneteräksiä huomattavasti tiukemmat lämmöntuontirajoitukset niiden mekaanisten ominaisuuksien takia ja terästen valmistajat ovat määrittäneet niille tarkat esikuumennuslämpötilat sekä suositellut t8/5 jäähtymisajat. Esimerkkinä termomekaanisesti valssatuille Strenx™ MC ja PLUS teräksille ei normaalisti käytetä esikuumennusta, mutta nuorrutetuille Strenx™ teräksille esikuumennusta tarvitaan suurille ainespaksuuksille. (Lukkari ym. 2016; SSAB b 2017; Stemne ym. 2017) Korkea lämmöntuonti vaikuttaa pehmeämmän vyöhykkeen syntymiseen HAZ:n alueelle (ks. kuva 22). SSAB:n määritelmän mukaan pehmentynyt vyöhyke on HAZ:n osa, jossa kovuusarvot ovat 90% muuttumattoman perusaineen kovuudesta. Suuri lämmöntuonti vaikuttaa myös sitkeyteen CGHAZ:ssa, jossa raekoko voi kasvaa liian suureksi. Mitä suurempi on teräksen lujuus, niin sitä tiukemmat lämmöntuontirajoitukset ovat. (Stemne ym. 2017)
Kuva 22. Strenx™ 700 MC teräksen tyypillinen kovuuskäyrä. (Lukkari ym. 2016)
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 43
4.4 JÄÄHTYMISAIKA Luvussa 3.2 esiteltiin tärkeä hitsin jäähtymiseen liittyvä parametri eli jäähtymisaika , jonka aikana austeniitin hajaantuminen alkaa lämpötilavälillä 800 – 500°C. Käytännössä syntyvä mikrorakenne ja perinnäisen austeniitin raekoko vaikuttavat kovuuteen ja iskusitkeyteen. Työlämpötila eli lämpötila hitsauksen alussa, sekä esikuumennus vaikuttavat hitsausliitoksen jäähtymisnopeuteen. Mitä korkeampi työlämpötila on, niin sitä hitaammin liitos jäähtyy. Jos teräksen jäähtymisnopeus on suuri, niin se karkenee helpommin. (Lukkari ym. 2016) Tasalujien hitsausliitoksien saavuttamiseksi SSAB:lla on tarkat suositukset Strenx™ terästen jäähtymisajoille (ks. taulukko 9). Yleisesti ottaen mitä lujempi teräs on, niin sitä pienempää lämmöntuontia käytetään ja sitä lyhyempi jäähtymisaika on. (Lukkari ym. 2016) Taulukko 9. Strenx™ ja alform teräksille suositeltavat t8/5 ajat, kun iskusitkeyden vähimmäisvaatimus on 27J@-40°C. (SSAB c 2017; Voest Alpine 2018)
4.5 VETYHALKEILU Vetyhalkeamista käytetään monia eri nimityksiä: vetyhalkeama (engl. hydrogen crack, hydrogen induced crack/HIC, hydrogen assisted crack/HAC), karkenemishalkeama (engl. hardening crack), kylmähalkeama (engl. cold crack) ja viivästynyt halkeama (engl. delayed crack). Vetyhalkeama viittaa vetyyn, kun taas karkenemishalkeama karkenemiseen syytekijänä sekä kylmähalkeama viittaa syntyaikaan (”hitsi kylmä eli jäähtynyt matalaan lämpötilaan”) ja viivästynyt halkeama myös syntyaikaan (”tuntien tai jopa vuorokausien päästä”). Lisäksi käytetään vetyhalkeaman sijainnin mukaan mm. seuraavia nimityksiä: palonalainen halkeama (engl. underbead crack), reunahalkeama (engl. toe crack) ja juurihalkeama (engl. root crack). Yleisesti ottaen kaikki tarkoittavat samaa halkeilun perustyyppiä, josta nykyään yleisin käytetty nimitys on vetyhalkeama. Kylmähalkeama on myös paljon käytetty nimitys. (Lukkari ym. 2016) Vetyhalkeamat muodostuvat suhteellisen matalissa lämpötiloissa ja niitä voi esiintyä sekä HAZ:ssa, että hitsiaineessa. Vetyhalkeama syntyy viiveellä hitsausprosessin jälkeen, kun lämpötila hitsiliitoksessa putoaa alle 200 °C:seen. Halkeaman kehitty-
44 Renata Latypova & Timo Kauppi
minen jatkuu hitsauksen jälkeen ja se yleensä havaitaan 16 – 48 h kuluessa hitsauksen lopettamisesta. (Stemne ym. 2017) Vetyhalkeaman syntymiseen tarvitaan yhtäaikaisesti kolme tekijää: korkealujuuksinen teräs tai lisäaine, korkea vetypitoisuus hitsissä ja suuri vetojännitys liitoksessa. Syntynyt halkeama voi olla pinnalla tai liitoksen sisällä (ks. kuva 23). Halkeamat etenevät kohtisuorassa pääjännitystä vastaan ja voivat ydintyä murtumiksi. HAZ:n vyöhykkeellä syntynyt halkeama kasvaa yleensä muuttumattomaan perusaineeseen. (Lukkari ym. 2016; Stemne ym. 2017)
Kuva 23. Erityyppiset vetyhalkeamat. (Stemne ym. 2017)
4.5.1Seostuksen vaikutus vetyhalkeiluun
Terästen hiilipitoisuus ja seostus ovat laskeneet, kun lujuus aikaansaadaan uusilla lujittamistavoilla, esim. käyttämällä termomekaanista valssausta. Vetyhalkeiluongelma on siirtynyt entistä lujempiin rakenneteräksiin. Hitsauslisäaineissa lujuuden kasvattaminen perustuu edelleen seostuksen nostamiseen, jolloin karkenevuus lisääntyy. Tuloksena on ollut vetyhalkeiluongelman siirtyminen myös hitsiaineen puolelle lujimmissa teräksissä. Vetyhalkeaman syntyminen edellyttää seuraavien syytekijöiden samanaikaista läsnäoloa:
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 45
• mikrorakennetekijä, hauras ja kova rakenne (so. karennut eli sitkeydeltään heikko mikrorakenne) • vetytekijä, riittävä määrä vetyä hitsissä (so. halkeilualttiissa mikrorakenteessa) • jännitystekijä, vetojännityksiä riittävästi.
Karkenemisen tuloksena syntyvä mikrorakenne, martensiitti, on teräksen mikrorakenteista herkin halkeiluun, koska se on kovaa ja haurasta eli se ei kestä muodonmuutoksia. (Lukkari ym. 2016) Vedyn päälähteitä ovat erityisesti kosteus ja myös muut vetyä sisältävät yhdisteet lisäaineissa: hitsauspuikon päällysteessä, täytelangan täytteessä ja jauhekaarihitsausjauheessa. Vetyä voi tulla myös epäpuhtauksista lisäainelangan (vetoainejäänteet, lika ym.) ja perusaineen pinnalta (ruoste, valssihilse, maalit ym.) ja ympäröivästä atmosfääristä. (Lukkari ym. 2016) Jännityksiä kehittyy liitoksen alueella jäähtymisen ja kutistumisen seurauksena ja ne riippuvat suurelta osin liitoksen jäykkyydestä, aineenpaksuudesta, lämmöntuonnista, liitosmuodosta ja sovituksesta. Hitsin kohdalla vallitsee hitsauksen jälkeen yleensä vetojännitystila, joka kasvaa hitsin pituussuunnassa helposti myötörajan suuruiseksi. (Lukkari ym. 2016) Vetyhalkeiluriskiä kuvaa hiiliekvivalentti. Mitä pienempi hiiliekvivalentti on, niin sitä pienempi on halkeiluriski. Luvussa 3.1 esitetty kaavat (1) ja (2), joilla lasketaan hiiliekvivalentit CEV ja CET, joista jälkimmäinen soveltuu erityisesti erikoislujille teräksille. (Stemne ym. 2017) Taulukossa 10 on annettu SSAB:n ja Voest Alpinen ultralujien terästen hiiliekvivalentin arvoja. Taulukko 10. Strenx™ ja alform terästen hiiliekvivalentin arvoja.
46 Renata Latypova & Timo Kauppi
Hiiliekvivalenttia CEV käytetään. kun arvioidaan esikuumennustarvetta standardin SFS-EN 1011-2:2001 liitteessä C esitettyä tapaa A käyttäen. Standardissa on kolmetoista kuvaa (käyrästöä), joissa esikuumennus määritetään seuraavien tekijöiden avulla: • • • •
teräksen hiiliekvivalentti CE (%) yhdistetty aineenpaksuus t (mm) lämmöntuonti Q (kJ/mm) hitsiaineen vetypitoisuus HD (ml/100 g)
Taulukossa 11 on tarkasteltu CEV -arvon vaikutusta esikuumennustarpeeseen. Taulukko 11. Hiiliekvivalentin CEV ja esikuumennuksen välinen yhteys.
Esikuumennus määritetään graafisesti käyrästöistä, joita on 13 kappaletta. Ensiksi valitaan käyrästö, joka sopii valitulle vetyasteikolle (hitsiaineen vetypitoisuudelle) ja teräksen hiiliekvivalentille (ks. kuva 24). Käytettävä esikuumennuslämpötila saadaan lämmöntuontia ja yhdistettyä aineenpaksuutta vastaavien suorien leikkauspisteen yläpuolelta tai vasemmalta puolelta. Monipalkohitsissä käytetään yleensä suositeltavana vähimmäisvälipalkolämpötilana esikuumennuslämpötilaa. (Lukkari ym. 2016)
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 47
Kuva 24. Esikuumennuksen määrittäminen (SFS-EN 1011-2: Tapa A).
Hiiliekvivalenttia CET taas käytetään arvioitaessa esikuumennuslämpötilaa standardin SFS-EN 1011-2:2001 liitteessä C esitettyä tapaa B käyttäen. Tämä tapa määrittää esikuumennuksen matemaattisen kaavan avulla, joka ottaa huomioon samat perustekijät kuten tapa A, mutta eri tavalla. Tapa B käyttää levynpaksuutta eikä yhdistettyä levynpaksuutta sekä päittäisliitosta eikä ota huomioon T-liitosta (”pienaliitosta”). Vetypitoisuus annetaan kaavaan tarkkana lukuarvona (ml/100 g) eikä asteikon valintana. Esikuumennus voidaan laskea seuraavan kaavan avulla:
Standardin mukaan tämä esikuumennuksen laskentakaava pätee rakenneteräksille, joiden myötölujuus on alle 1000 MPa, seuraavilla edellytyksillä: • • • •
CET = 0,2-0,5 % d = 10-90 mm HD = 1-20 ml/100 g Q = 0,5-4,0 kJ/mm (Lukkari ym. 2016)
48 Renata Latypova & Timo Kauppi
4.5.2 Vetypitoisuus hitsausliitoksessa
Vety H2 (engl. hydrogen) on erittäin kevyt kaasu, jonka atomipaino on 1,008. Se on esimerkiksi 27 kertaa kevyempi kuin kevytmetalli alumiini (Al). Pienen atomikokonsa takia se kykenee liikkumaan helposti metalleissa. Vedyn liukoisuus teräkseen riippuu lämpötilasta ja teräksen mikrorakenteesta. (Lukkari ym. 2016) Vety kykenee liukenemaan teräkseen vain atomaarisena tai ioneina. Liukoisuus rautaan (teräkseen) on korkeissa lämpötiloissa erittäin suuri, mutta pienenee erittäin pieneen murto-osaan matalissa lämpötiloissa (ks. kuva 25). (Lukkari ym. 2016)
Kuva 25. Vedyn liukoisuus puhtaaseen rautaan.
Vetyä joutuu hitsiin kaariatmosfääristä vety-yhdisteiden hajotessa valokaaren kuumuudessa. Vety-yhdisteitä on mm. lisäaineissa (kosteus) ja epäpuhtauksissa hitsausrailojen pinnoilla. Vety liukenee ensin hitsisulaan. Liukoisuus kiinteään mikrorakenteeseen (metalliin) on huomattavasti pienempi kuin sulaan. Lisäksi liukoisuus austeniittiin on suuri verrattuna ferriittiin. Kun hitsi jäähtyy, austeniittisessa tilassa oleva hitsiaine muuttuu ensiksi ferriitiksi samalla, kun hitsin viereinen muutosvyöhyke on vielä austeniittinen johtuen niiden erilaisesta kemiallisesta koostumuksesta. Tämä tekijä lisää ylikylläisen vedyn siirtymistä muutosvyöhykkeelle. Vety heikentää metallien välisiä koheesiovoimia ja kerääntyy kohtiin, joissa vallitsee kolmiaksiaalinen jännitystila. Näiden seurauksen vety edesauttaa halkeamien ydintymistä, mistä johtuu nimitys vetyhalkeama. (Lukkari ym. 2016) Vedyn lähteet hitsausaineissa ovat:
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 49
• kosteus ja raaka-aineiden kidevesi hitsauspuikon päällysteessä, täytelangan täytteessä ja jauhekaarihitsausjauheessa • muut vetyä sisältävät yhdisteet näissä lisäaineissa • öljy, lika, valssihilse, ruoste yms. epäpuhtaudet lankojen pinnalla • kosteus suojakaasussa kaasukaarihitsauksessa Lisäaineen lisäksi vetylähteitä voivat olla myös seuraavat tekijät, joiden vaikutus on kuitenkin usein melko pieni. Mitä matalampi vetypitoisuus on, sitä tärkeämpiä nämä tekijät kuitenkin ovat: • epäpuhtaudet hitsattavilla railopinnoilla (joskus suurikin vetylähde) • hitsausta ympäröivän atmosfäärin kosteus (usein melko pieni) • hitsattava perusaine, ”sisäinen vety” (yleensä hyvin pieni) Tärkein vetylähde on yleensä lisäaineiden sisältämä vesi (H2O). Tämä korostaa myös lisäaineiden asiallista käsittelyä ja säilytystä, jotta ne eivät pääse kostumaan eli ottamaan ympäröivästä atmosfääristä kosteutta. (Lukkari ym. 2016) Vetyä täytyy olla mahdollisemman vähän hitsausliitoksessa ja sen ympärillä. Hitsausliitos täytyy pitää puhtaana ennen hitsausta ja hitsauksen aikana, sekä poistaa vesi, öljy ja rasva ennen hitsauksen aloittamista. Myös hitsausvälineiden täytyy olla kunnossa, jotta ylimääräistä vetyä ei joutuisi liitokseen. Lisäaineen vetypitoisuus pitää olla mahdollisimman pieni, enintään 5 ml/100g tuotettua hitsiainetta kohden. (Stemne ym. 2017) Hitsauslisäaineen/hitsiaineen vetypitoisuus luokitellaan viiteen luokkaan standardissa SFS-EN 1011-2:2001 (ks. taulukko 12). Perusteena on diffundoituvan vedyn määrä millilitroina tuotettua hitsiainetta kohti (ml/100g). Taulukko 12. Vetyasteikot. (SFS-EN 1011-2 2001)
50 Renata Latypova & Timo Kauppi
4.6 HITSAUSLISÄAINEET Lisäaine valitaan yleensä teräkselle standardin määrittelemien mekaanisten ominaisuuksien, so. vähimmäislujuus ja -sitkeysarvojen, perusteella. Lisäaineen ominaisuuksien pitää täyttää nämä vaatimukset ottaen huomioon myös kyseiset hitsausolosuhteet ja niiden vaikutukset, mm. perusaine, lämmöntuonti, esikuumennus-/välipalkolämpötila ja mahdollinen jälkilämpökäsittely. Lujuudella tarkoitetaan yleensä myötölujuutta, joka on yleensä myös kriteeri suunnittelu- ja laskentastandardeissa tms. Sitkeydellä tarkoitetaan yleensä iskusitkeyttä, joka määräytyy sekä koelämpötilan että vaaditun iskuenergian perusteella. (Lukkari ym. 2016) Taulukossa 13 on esitelty lujien terästen (myötölujuus ≥ 550 MPa) hitsauspuikkojen standardin SFS-EN ISO 18275:2012 seostunnukset ja kemialliset pääkoostumukset. Pääkoostumus on samanlainen myös vastaavissa MAG -umpilangoissa ja MAG-täytelangoissa sekä jauhekaarilangoissa. (SFS-EN ISO 18275 2012) Taulukko 13. Lujien terästen hitsauspuikkojen seostunnukset ja pääseostus. (SFS-EN ISO 18275 2012).
Taulukko 14 havainnollistaa standardin mukaisen seostuksen vaikutusta hitsiaineen lujuuteen käyttäen esimerkkinä markkinoilla olevia luokiteltuja hitsauspuikkoja. Useimmilta lisäainetoimittajilla löytyy helposti lisäaineet eri hitsausprosesseille S690-lujuusluokan teräksiin saakka. (Lukkari ym. 2016)
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 51
Taulukko 14. Lisäaineen seostus (SFS-EN ISO 18275) ja saavutettava myötölujuus, laadittu markkinoilla olevien hitsauspuikkojen luokittelujen perusteella.
Ultralujille teräksille (900 – 1300 MPa) voi olla vaikeuksia löytää riittävän lujia eli tasalujia (engl. matching) lisäaineita. Standardin SFS-EN 15614-1:2017 mukaisessa hitsauksen menetelmäkokeessa hitsin poikittainen vetokoe tehdään vetosauvalla, josta hitsikupu on koneistettu pois. Murtolujuuden vaatimus on teräkselle materiaalistandardissa määritetty murtolujuus. Jos sovitaan erikseen, vetokoe voidaan tehdä myös käyttäen vetosauvaa, josta ei ole koneistettu pois hitsikupua. Tästä on sovittava menetelmäkokeen tekijän, tilaajan ja testauslaitoksen kanssa. Kun hitsikupua ei ole poistettu, kasvaa kuormaa kantava poikkipinta-ala hitsin kohdalta ja se kestää murtumatta vetokokeessa. Tämä tietysti edellyttää myös sen, että hitsin kupua ei ole poistettu käyttökohteessakaan. Valtaosassa hitsatuista rakenteista hitsit ovat sellaisia, että niissä on jäljellä hitsikupu. Jos voidaan sijoittaa hitsit sellaisille alueille, joissa kuormitus on pienempi kuin perusaineen lujuus, jolloin tasalujuutta ei vaadita, on mahdollista käyttää myös hieman matalampi lujuuksisia lisäaineita. (Lukkari ym. 2016) Pohjoismainen teräksenvalmistaja SSAB suosittelee lujien ja ultralujien Strenx™ terästen hitsaukseen seostamattomia, niukkaseosteisia tai ruostumattomia lisäaineita. Seostamattomilla ja niukkaseosteisilla lisäaineilla on hyvä staattinen lujuus ja kovuus hitsimetallissa. Käyttäessä lisäaineita, joilla on pieni lujuus, voidaan saavuttaa seuraavia etuja: hitsimetallin parempi sitkeys, parempi vetyhalkeilun kestävyys ja pienemmät jäännösjännitykset liitoksessa. Monipalkohitsauksessa jossa tarvitaan esikuumennusta, on järkevää käyttää erilujuuksisia lisäaineita. Siltahitsit ja pohjapalko hit-
52 Renata Latypova & Timo Kauppi
sataan lisäaineella, jolla on pienempi lujuus ja loput palot lujemmalla lisäaineella. Tällä tavalla on mahdollista parantaa liitoksen kovuutta ja vetyhalkeilun kestävyyttä. Strenx teräksille suositellaan käytettäväksi taulukossa 15 esitettyjä lisäainetyyppejä. (SSAB c 2018) Taulukko 15. Strenx™ terästen hitsaukseen suositeltavien lisäaineiden luokittelu. (SSAB c 2018)
Lisäaineiden vetypitoisuuden tunnuksen merkintä on kirjaimen H ja vetypitoisuutta merkitsevän numeron yhdistelmä, esim. H5 (5 = 5 ml/100 g tuotettu hitsiaine). Standardissa SFS-EN ISO 18275:2012 määritellään kolme vetypitoisuutta H5, H10 ja H15, jotka vastaavat siis standardin SFS-EN 1011-2:2001 mukaisia vetyluokkia D, C ja B. Lujilla teräksillä käytetyn lisäaineen vetyluokka saa olla maksimissaan H5. Eri hitsausprosessien lisäaineiden vetypitoisuudet eroavat toisistaan ja riippuvat tuotemuodosta, päällyste-/täyte-/jauhetyypistä sekä valmistajasta (ks. kuva 26). (Lukkari ym. 2016)
Kuva 26. Eri lisäaineiden vetypitoisuudet. (Lukkari ym. 2016)
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 53
MAG ja TIG hitsauksessa käytettävät umpilangat tuottavat vähävetyisintä hitsiainetta, ja soveltuvat näin hyvin lujien terästen hitsaukseen. Puikkohitsauksessa puikkojen pinnalla on erilaisia päällysteitä (emäs-, rutiili-, hapan- ja selluloosapäällysteiset puikot), minkä takia niiden tuottaman lisäaineen vetypitoisuus on suurempi. Emäksiset puikot ovat vähävetyisimpiä ja soveltuvat siis hyvin lujien terästen hitsaukseen. Emäksisten puikkojen pienempi vetypitoisuus perustuu niiden sisältämiin emäksisiin komponentteihin, jotka pienentävät vedyn liukenemista hitsisulaan muodostamalla hiilidioksidia. Toisaalta emäspäällyste imee itseensä kosteutta kaikkein helpoimmin, joten ne on kuivattava ennen käyttöönottoa. (SSAB a 2107, SSAB c 2018)
4.7 SUOJAKAASU Vaatimukset sulahitsauksessa käytettäville suojakaasuille ja –seoksille on määritelty standardissa SFS-EN ISO 14175:2001. Suojakaasujen luokittelumerkintä perustuu kaasun koostumukseen. Strenx™ terästen hitsauksessa suojakaasun valinta ja seos riippuvat hitsaustilanteesta ja -prosessista. Kaikista yleisimmät seokset ovat Ar ja seoksia (ks. taulukko 16). (SSAB c 2018) Taulukko 16. Esimerkkejä Strenx™ terästen hitsauksessa käytetyistä suojakaasuista. (SSAB c 2018)
54 Renata Latypova & Timo Kauppi
LÄHDELUETTELO Davis CL & King JE. 1994. Cleavage initiation in intercritically reheated coarsegrained heataffected zone: Part I. Fractographic evidence. Metallurgical and Materials Transactions A 25A March: 563–573. Esab. 2017. Hitsausmenetelmät [verkkodokumentti]. Saatavissa: http://www.esab.fi/fi/ fi/education/blog/hitsausmenetelmat.cfm [viitattu 6.3.2017] Horvath S. D. 2004. The future revolution in automotive high strength steel usage [verkkodokumentti]. Saatavissa: https://www.steel.org/~/media/Files/Autosteel/ Great%20Designs%20in%20Steel/GDIS%202004/16%20-%20The%20Future%20Revolution%20in%20Automotive%20AHSS%20Usage.pdf [viitattu 13.2.2017] 26s. Kanninen O. 2011. Kandidaatintyö: Ultralujien terästen käytettävyys hitsatuissa rakenteissa [verkkodokumentti]. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. Saatavissa: https://www.doria.fi/bitstream/handle/10024/73896/Ultralujien%20ter%C3%A 4sten%20k%C3%A4ytett%C3%A4vyys%20hitsatuissa%20rakenteissa.pdf?sequence =1#page=12&zoom=auto,-82,435 [viitattu 14.2.2017]. 31s. Koivisto K., Laitinen E., Niinimäki M., Tiainen T., Tiilikka P., Tuomikoski J. 2004. Konetekniikan materiaalioppi. 10. painos. Helsinki: Edita Prima Oy, 336s ISBN 95137-2912-5. Kuoppa J., Samuelsson J., Sperle J-O., Rydahl L., Pétursson E., Larsson J., Gozzi J., Gustaffson M., Bäckman L., Reinberth M., Nilsson T., Alm P., Troive L., Ivarson A., Augustsson P-E., Alm P. 2012. Design handbook, structural design and manufacturing in high-strength steel. Österbergs Tryckeri AB, Nyköping. ISBN 978-91-6371032-2. Lukkari J., Kyröläinen A., Kauppi T. 2016. Hitsauksen materiaalioppi, Osa 2: Metallit ja niiden hitsattavuus. Suomen Hitsausteknillinen Yhdistys r.y., 364s. ISBN 978-95198212-5-2. Lukkari J., Kyröläinen A., Kauppi T. 2016 b. Hitsauksen materiaalioppi, Osa 1: Metalliopin perusteet, terästen luokittelu ja valmistus, rakenneterästen käyttäytyminen hitsauksessa, murtuminen ja korroosio. Suomen Hitsausteknillinen Yhdistys r.y., 169s. ISBN 978-951-98212-4-5.
Ultralujien kuumavalssattujen rakenneterästen hitsattavuus - kirjallisuustutkimus 55
Miekk-oja H.M., Lindroos V., Sulonen M., Veistinen M. 1986. Uudistettu Miekk-ojan metallioppi. Keuruu: Kustannusosakeyhtiö Otavan painolaitokset, 841s. ISBN 951666-216-1. Pirinen M. THE EFFECTS OF WELDING HEAT INPUT ON THE USABILITY OF HIGH STRENGTH STEELS IN WELDED STRUCTURES. 2003. Väitöskirja. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. ISBN 978-952-265-400-7. Yliopistopaino. 174 s. SFS-EN 1011-1. 2009. HITSAUS. METALLISTEN MATERIAALIEN HITSAUSSUOSITUKSET. OSA 1: YLEISOHJEET KAARIHITSAUKSELLE. Kansallinen standardi. Metalliteollisuuden Standardisointiyhdistys ry. 25 s. SFS-EN 1011-2. 2009. HITSAUS. METALLISTEN MATERIAALIEN HITSAUSSUOSITUKSET. OSA 2: FERRIITTISTEN TERÄSTEN KAARIHITSAUS. Kansallinen standardi. Metalliteollisuuden Standardisointiyhdistys ry. 25 s. SFS-EN 10025-6. 2006. KUUMAVALSSATUT RAKENNETERÄKSET. OSA 6: NUORRUTETUT LUJAT RAKENNETERÄSLEVYTUOTTEET. TEKNISET TOIMITUSEHDOT. Kansallinen standardi. Metalliteollisuuden Standardisointiyhdistys ry. 25 s. SFS-EN 10149-2. 2013. KUUMAVALSSATUT LUJAT KYLMÄMUOVATTAVAT TERÄSLEVYTUOTTEET. OSA 2: TERMOMEKAANISESTI VALSSATTUJEN TERÄSTEN TEKNISET TOIMITUSEHDOT. Kansallinen standardi. Metalliteollisuuden Standardisointiyhdistys ry. 25 s. SSAB. 2017. Strenx [verkkodokumentti]. Saatavissa: http://www.ssab.fi/tuotteet/brandit/strenx [viitattu 10.2.2017]. SSAB. 2017 b. Strenx teräksen edut. [verkkodokumentti] Saatavissa: http://www.ssab. fi/tuotteet/brandit/strenx/tuotteet/strenx-700#!accordion=downloads [viitattu 2.3.2017]. 20s. SSAB. 2017 c. Welding of Strenx.[verkkodokumentti]. Saatavissa: http://www.ssab.fi/ tuotteet/brandit/strenx/tuotteet/strenx-700#!accordion=downloads [viitattu 2.3.2017]. 20s. Stemne D., Narström T., Hrnjez B. 2017. Welding handbook, a guide to better welding of hardox and weldox. 1 Painos. 132s. ISBN: 978-91-978573-0-7. Ultra High-Strength Standard Size Steel Tubing, Dual Phase and Martensitic Steel Tubing [verkkodokumentti]. Saatavissa: https://superiorrollforming.files.wordpress.com/2014/02/highstrengthtubelit.pdf [viitattu 13.2.2017] WorldAutoSteel. 2017. Automotive steel definitions [verkkodokumentti]. Saatavissa: http://www.worldautosteel.org/steel-basics/automotive-steel-definitions/ [viitattu 13.2.2017]
56 Renata Latypova & Timo Kauppi
Myötölujuudeltaan yli 700 MPa olevat teräkset luokitellaan erikoislujiksi tai ultralujiksi teräksiksi lähteestä riippuen. Niiden tärkein ominaisuus on teräksen korkea lujuus, mutta niillä on myös suuri kovuus, hyvä hitsattavuus, iskusitkeys ja pinnanlaatu. Lujuuden ansiosta on mahdollista säästää materiaali-, valmistus- ja kuljetuskustannuksissa sekä saavuttaa näin energiatehokkaampia ratkaisuja. Lisäksihiilidioksidipäästöt pienenevät vähäisemmän teräksen käytön ja usein suurempien hyötykuormien ansiosta. Ultralujien terästen hitsauksessa täytyy noudattaa tarkasti annettuja hitsausohjeita, joita terästen valmistajat antavat. Yleensä tiukkojen lämmöntuontivaatimuksien takia näiden terästen hitsaus voi olla hyvin vaativaa. Tässä kirjallisuustutkimuksessa perehdytään lujien ja ultralujien terästen hitsattavuuteen, käsitellään perusaineen ja hitsiliitoksen mikrorakennetta sekä tutustutaan niiden ominaisuuksiin. Tutkimus antaa erikoislujien terästen käyttäjille tai niiden käyttöä suunnitteleville tahoille arvokasta perustietoa ja palvelee digitalisoinnin hyödyntämiseen erikoisterästen hitsauksen laadunhallinnassa keskittyvän Business Finland/EAKR rahoitteisen ArcDigi –hankkeen lähtötietoina.
www.lapinamk.fi
ISBN 978-952-316-254-9