B.4 Kutistuminen, jäännösjännitykset ja muodonmuutokset
Hitsauksen teoriaopetus B4 Kutistuminen, jäännösjännitykset ja muodonmuutokset 1 B.4 Kutistuminen, jäännösjännitykset ja muodonmuutokset B4.1 Hitsauksen lämpötilajakautuma Hitsattaessa useimpien metallien tilavuus muuttuu. Kuumentuessaan tilavuus kasvaa – ja jäähtyessään se pienenee. Lämpötila perusaineessa vaihtelee riippuen hitsausprosessista, hitsausparametreistä, perusaineen lämmönjohtavuudesta ja aineenpaksuudesta. Korkein lämpötila on valokaaren keskellä ja lämpötila laskee mitä kauemmaksi valokaarialueelta tullaan. B4.2 Jäännösjännitysten syntyminen Sisäisten jännitysten termejä Jännitysten syntymisen ja vaikutusten ymmärtämiseksi esitellään ensin muutamia käsitteitä. Lisää termejä löytyy standardista SFS 3052. Lämpöjännitys: lämmön vaikutuksesta tapahtuneen laajenemisen ja tyssäytymisen sekä jäähtymisestä johtuneen kutistumisen aiheuttama jännitys. Hitsausjännitys: hitsauksen aiheuttama lämpöjännitys. Jäännösjännitys: hitsauksen ja mahdollisten jälkikäsittelyvaiheiden jälkeen esiintyvä jännitys. Pituusjännitys: hitsin pituussuuntainen hitsausjännitys. Poikittaisjännitys: hitsin poikittaissuuntainen hitsausjännitys kappaleen tasossa. Kutistumisjännitys: jäähtymisestä johtuvan kutistumisen estymisestä aiheutuva jännitys SHY Hitsauksen teoriaopetus B4 Kutistuminen, jäännösjännitykset ja muodonmuutokset 2 Perusteita ulkoisista jännityksistä Em. jännitykset ovat kappaleen sisäisiä jännityksiä. On hyvä muistaa, että ulkoisista tekijöistä kuten hitsatun rakenteen käytönaikaiset kuormat aiheuttavat omat jännityksensä ja ne voivat olla suunniltaan lisäämässä kokonaisjännityksiä. Siksi on tärkeää että hitsauksesta aiheutuvat jännitykset jäisivät mahdollisimman pieniksi. Ulkoisista jännityksistä tavallisimmat ovat vetojännitys (+) ja puristusjännitys (-). Ne määritetään siten että jaetaan vaikuttava voima pinta-alalla johon voima kohdistuu. Vastaavasti pintapaine määräytyy siten että voima jolla kappaletta kuormitetaan, jaetaan vaikutuksen alaisella pinta-alalla. Esimerkiksi jos 80 kg painava mies seisoo 1 euron päällä (euron pinta-ala on noin 400 neliömillimetriä) niin kolikkoon vaikuttaa pintapaine, jossa vaikuttavana voimana on ihmisen massa kertaa maanvetovoima ja pinta-alana on kolikon pinta-ala. Näin paine on: 80 kg *10 kgm/s2 400 mm2 = 2 N/mm2 Eli hyvin pieni jännitys. Sen sijaan jos mies olisi seisonut oluttölkin päällä olisi paine kuoressa noussut suureksi koska kuori ohut ja pinta-ala olisi vain noin 10 mm2. Paine olisi ollut noin 800/10=80 N/mm2. Veto- ja puristusjännitysten lisäksi hitsattuihin rakenteisiin vaikuttaa taivutuksesta aiheutuva taivutusjännitys (joka lasketaan taivutusmomentti/taivutusvastuksella, taivutusvastus on usein taulukkokirjasta saatava arvo). Se on usein rakenteiden mitoituksen määräävä jännitysmuoto. Lisäksi sen ominaisuuksiin kuuluu , että se on suurin kappaleen pinnalla ja nolla kappaleen neutraaliakselilla. Kun jännitykset eivät aiheuta pysyviä muodonmuutoksia sanotaan muutosta palautuvaksi, eli elastiseksi (kimmoinen muodonmuutos). Kun muodonmuutos syntyy sanotaan muutosta pysyväksi, eli plastiseksi. Hitsattaessa lämpötila on erilainen riippuen tarkasteltavan kohdan etäisyydestä valokaaresta. Näin ollen lämpölaajeneminenkin ja kutistuminen on eri suuruista kappaleen eri kohdissa. Hitsiaineella, joka on sulassa tilassa hitsauksen aikana pyrkii laajenemaan. Laajenemista estää kuitenkin ympäröivä sularajan ulkopuolella oleva, alemmassa lämpötilassa oleva materiaali. Tämän johdosta materiaali tyssääntyy. Kun hitsi jäähtyy, eri osat liitoksessa ei kutistu yhtä paljon, josta seuraa jännityksiä kappaleeseen. Hitsin pituussuuntaan syntyy hitsiin vetojännitys. Kutistumista tapahtuu pituusjännityksestä johtuen (pituuskutistuminen), poikittaisjännityksestä johtuen (poikittaiskutistuminen) ja paksuussuuntaisesta jännityksestä johtuen (paksuussuuntainen kutistuminen). Lämmenneen materiaalin laajenemisen estää ympäröivä kylmä materiaali. SHY Kutistuminen eri suunnissa. Hitsauksen teoriaopetus B4 Kutistuminen, jäännösjännitykset ja muodonmuutokset 3 Kutistumisen aiheuttamat muodonmuutokset Hitsattuun rakenteeseen muodostuvat jäännösjännitykset, hitsin omat jännitykset, aiheuttavat muodonmuutoksia rakenteeseen. Kutistumisjännitysten ja muodonmuutosten suuruuteen vaikuttavat lämmöntuonti, lämmön jakautuminen, materiaalin lämpöpitenemiskerroin ja lämmönjohtavuus sekä rakenteen sisäiset jännitykset. B.4.3 Sisäisten jännitysten vaikutus jäännösjännityksiin Hitsattavat osat, jotka ovat jäykästi kiinni hitsattavassa rakenteessa, eivät voi kutistua vapaasti. Tämä aiheuttaa jännityksiä rakenteeseen. Tässä kohdin suunnittelulla on suuri merkitys. Oikea hitsausjärjestys ja hitsausohjeet ovat ensiarvoisen tärkeitä hyvän lopputuloksen saavuttamiseksi. Jos toimenpiteisiin ei ryhdytä jännitysten eliminoimiseksi, niin ne voivat epäedullisissa tapauksissa johtaa siihen, että jännitykset tulevat liian suuriksi ja syntyy vaurioita. Esimerkiksi pituussuuntaiset puristusjännitykset hitsausliitoksen viereisillä alueella (itse hitsissä on vetojännitys) voivat aiheuttaa lommahdusvaaran. Tämä varsinkin silloin levyn kohdistus puristusjännitys ja levy on suhteessa ohut sen korkeuteen nähden. Sopiva toimenpide voi silloin olla jännitystenpoistohehkutus. Tällöin pienennetään/tasoitetaan hitsausjännityksiä, joita on aina hitsatussa rakenteessa. Pitkittäiskutistumat aiheuttavat ohuissa materiaaleissa aaltomaisuutta B.4.4 Jäännösjännitysten merkitys Hitsatussa kappaleessa tapahtuva kutistuminen aiheuttaa usein vääntymiä hitsattuun kappaleeseen. Ohuessa materiaalissa tapahtuu hitsattaessa muodonmuutoksia johtuen hitsissä tapahtuvasta pituussuuntaisesta kutistumisesta. Kappaleesta tulee polveileva tai aaltomainen. Poikittaiskutistumalla tuskin on mitään vaikutusta johtuen pienestä hitsistä (nopea jäähtyminen) ja työkappaleen olemattomasta tilavuudesta. Kiertymä (kulmavetäytyminen) esiintyy päittäisliitoksissa, kun hitsataan ensimmäistä palkoa. Se muodostaa ikään kuin saranan, jonka ympäri osat kiertyvät hitsauksen aikana. SHY Hitsauksen teoriaopetus B4 Kutistuminen, jäännösjännitykset ja muodonmuutokset 4 B4.5 Esikuumennus ja vedynpoistohehkutus Lämpökäsittelymenetelmät, jotka koskevat hitsaajaa, ovat esikuumennus ja vedynpoistokuumennus. Vaadittava esikuumennuslämpötila ja vedynpoistohehkutus pitää esittää hitsausohjeessa (WPS). Esikuumennuksella saavutetaan esimerkiksi seuraavia etuja, vaikka korotettu työlämpötila ei olisikaan tarpeen: hitsi jäähtyy hitaammin, mikä pienentää riskiä karkenemishalkeamille pienentää (veto)jännityksiä hitsissä ja sitä ympäröivässä materiaalissa edesauttaa vedyn poistumista hitsistä ja muutosvyöhykkeeltä nostaa hitsattavan ulkona olevan tai ulkoa tulevan kappaleen lämpötilaa polttaa epäpuhtaudet ja veden (H 2 O) hitsausrailosta Jännitystenpoistohehkutus Jännitystenpoistohehkutus suoritetaan kappaleessa olevien hitsausjännitysten pienentämiseksi, jotka ovat muodostuneet hitsauksen jälkeisessä jäähtymisessä, lämpökäsittelystä tai kuumamuokkauksesta. Mitään oleellisia rakennemuutoksia tai kovuuden alenemista ei tapahdu, kun hehkutuslämpötila pidetään alle materiaalin päästölämpötilan. Hehkutuslämpötila on tavallisesti 550-600 C ja hehkutusajat määräytyvät kappaleen mittojen ja analyysin mukaan – pitoajat valitussa lämpötilassa voivat olla jopa kaksi tuntia. Hehkutuksen jälkeen kappaleet saavat jäähtyä hitaasti. Varusteet ja apuvälineet Lämmitykseen käytetään sähkövirtaa tai kaasua. Sähköinen lämmitys tapahtuu sähkövastuksen tai induktion avulla. Virtalähde voi olla erikoislaite tai hitsausvirtalähde. Kaasulämmityksessä käytetään rengaspoltinta tai hitsauspoltinta usealla ulostulolla. SHY Hitsauksen teoriaopetus B4 Kutistuminen, jäännösjännitykset ja muodonmuutokset 5 Lämpötilan mittaamiseen esikuumennuksessa ja korotetussa työlämpötilassa voidaan käyttää lämpöliituja tai termoelementillä varustettuja lämpötilamittareita. Jos suuria mittaustarkkuuksia vaaditaan esimerkiksi jännitystenpoistohehkutuksessa, lämpötilan, nostoajan, hehkutusajan ja jäähtymisajan mittaamiseen täytyy käyttää automaattisesti säätäviä ja rekisteröiviä digitaalisia mittauslaitteita. B.4.6 Jäännösjännitysten ja hitsin kutistumisen käsittely Kutistuma Suuret hitsattavat rakenteet kuten sillat, laivat, erilaiset teräsrakenteet valmistetaan usein työpajalla ja kuljetetaan sitten asennuspaikalle koottaviksi. Ehdoton edellytys rakenteille on silloin, että osat sopivat yhteen koottaessa. Tämä koskee siis mittoja ja myös hitsauksen oikeaa suoritusta. Mittojen oikeellisuus on itsestään selvyys, sillä ne löytyvät piirustuksesta toleransseineen. Hitsauksen oikein suorittaminen on yhtä itsestään selvää, mutta huomattavasti vaikeampaa. Eräs suurista ongelmista hitsauksessa on laajeneminen/kutistuminen, mikä aina tapahtuu, kun perusainetta ensin lämmitetään ja sen jälkeen jäähdytetään. Ongelma asettaa suuria vaatimuksia sekä suunnittelijalle että hitsaajalle. Suunnittelija Keino, joka suunnittelijalla/hitsauskoordinoijalla on käytettävissään, on laatia hitsausmenetelmät ja hitsaussuunnitelmat. Hän määrittelee silloin hitsausmenetelmälle käytettävät arvot, hitsien koot, hitsausnopeudet jne., toisin sanoen hän laskee hitsausenergian. (katso kohta B4) Sen jälkeen hän tekee hitsaussuunnitelman, mikä sisältää piirustukset jokaisesta hitsattavasta saumasta ja niiden hitsausjärjestyksestä. Hän pyrkii laatimaan hitsausjärjestyksen siten, että hitsaus tapahtuisi symmetrisesti rakenteen suhteen sekä: suunnittelee, että hitsaus tapahtuu keskustasta ulospäin kehän muodostavissa rakenteissa kuten säiliön pohjat ja vastaavat. sopeuttaa hitsausenergian sopivaksi, mahdollisimman pieneksi minimi lämmöntuonti huomioiden jakaa hitsauspalot siten, että lämpötasapaino saavutetaan laatii selkeät hitsausohjeet (WPS) SHY Hitsauksen teoriaopetus B4 Kutistuminen, jäännösjännitykset ja muodonmuutokset 6 Hitsaaja Laajenemisen/kutistumisen vaikutusten huomioiminen on eräs suurimmista hitsaajan ongelmista. Sen huomioonottamisessa vaaditaan kokemusta, mutta myös materiaalin käyttäytymisen tuntemista. Ensiksi täytyy osat hitsata kiinni kevyesti eli silloittaa oikeisiin asentoihin. Hitsausvaiheessa tulee seuraavat asiat ottaa huomioon: suuri hitsaustilavuus aiheuttaa suuremman kutistumisen ja jännityksen suuri hitsausnopeus antaa pienemmän kutistumisen monta palkoa pienillä puikoilla antaa pienemmän kutistumisen. Mitä pienempi on hitsissä kerralla oleva sula, sitä pienempiä on kutistumat. yksi palko suurella puikolla antaa suuremman kutistumisen hitsaamalla palko vain levyn neutraalilinjan toiselle puolelle hitsi ei kykene vastustamaan tasaista kutistumista vaan muodonmuutos pääsee syntymään Kuinka muodonmuutos syntyy? Esimerkeissä edellä on esitetty joitakin totuuksia asiasta, mutta tärkeintä on se, että hitsaaja ymmärtää syyt jännitysten/muodonmuutosten syntymiseen. Hitsauksessa syntyy lämpöä joka aiheuttaa laajenemista. Jos koko työkappale laajenee saman aikaisesti, niin työkappale säilyttää jäähtyessään suurin piirtein muotonsa ja todennäköinen seuraus voi olla pieni vain pieni kieroutuminen, aaltomaisuus jne.). Jos sen sijaan vain osia työkappaleesta lämmitetään, lämmitetyt osat kuumenevat enemmän ja muu ympäröivä materiaali ei lämpene eikä lämpölaajene. Kylmät osat estävät laajenemista ja lämmenneellä materiaalilla ei ole mahdollisuutta lämpölaajeta kylmän materiaalin suuntaan ja se pyrkii laajenemaan paksuus ja hitsaussuuntaan. Tällöin hitsi tyssääntyy. Kun materiaali jäähtyessään kutistuu, puuttuu siis materiaalia ja hitsistä tulee pienempi. Työkappaleeseen on siis muodostunut jäännösjännityksiä ja se on menettänyt hieman alkuperäisiä muotojaan/mittojaan. Hitsauksessa laajeneminen/kutistuminen havaitaan jo hitsattaessa pohjapalkoa V-railoon. Ilmarakon levyjen välissä pienenee tai häviää kokonaan hitsauksen edetessä. Kuinka kutistuminen estetään? Kutistumista ei voi estää hitsauksessa. Materiaaliominaisuuksille ei voi mitään. Hitsaaja voi vain minimoida kutistumisen vaikutuksen. SHY Hitsauksen teoriaopetus B4 Kutistuminen, jäännösjännitykset ja muodonmuutokset 7 B.4.7 Muodonmuutosten syntyminen pienahitseissä Muodonmuutos ja kutistuminen voidaan minimoida, jos muutos voidaan ennakoida. Ensimmäiset toimenpiteet tapahtuvat jo silloitusvaiheessa. Tällöin työkappaleen hitsattavat osat voidaan asettaa niin (ennakko), että ne hitsauksen jälkeen ovat oikeassa asennossa. Lämmöntuonnin, hitsin koon, tunkeuman ja palkojen lukumäärän vaikutus Tapahtuvan muodonmuutoksen suuruuteen vaikutetaan muun muassa hitsausvirralla, puikon koolla, hitsausjärjestyksellä, tunkeumalla ja hitsauspalkojen lukumäärällä. Hitsattavat osat (T-liitos, nurkkaliitos) voidaan asettaa sellaiseen kulmaan (ennakko), että ne hitsauksen jälkeen ovat oikeassa kulmassa. Tämä vaatii hieman kokemusta, mutta ei ole niin vaikeaa. Ennakolla voidaan kulma saada oikeaksi hitsauksen jälkeen. Jos hitsattavan kappaleen osat voivat vapaasti liikkua, ei yleensä synny tarvetta jälkikäsittelylle. Jos sen sijaan hitsattavan kappaleen osat ovat pakotettu olemaan paikoillaan jollakin tavalla esim. tunkeilla, jännitystenpoistohehkutus voi olla tarpeellista syntyneiden jäännösjännitysten pienentämiseksi. Ilmaraoton T-liitos muodostaa vähiten muodonmuutoksia. Sen sijaan jos esiintyy ilmarakoa, muodonmuutos voi tulla suuremmaksi. Viistetyt tai osaviistetyt railot (päittäishitsaus) johtavat pienempiin muodonmuutoksiin, koska hitsaus voi tapahtua neutraaliakselilla. Ilmarako lisää muodonmuutoksen riskiä Sen sijaan hitsaus viistettyihin railoihin (päittäishitsaus) pienentää sitä. Suuri hitsausvirta antaa suuremman tunkeuman ja suuremman lämmön kappaleeseen, mikä puolestaan johtaa suurempaan laajenemiseen/kutistumiseen. Tässä yhteydessä lisäaineen halkaisijalla on suuri merkitys (Suurempi halkaisija vaatii suuremman hitsausvirran). Monipalkohitsaus aiheuttaa T-liitoksessa suuremman kulmavetäytymän kuin yksipalkohitsaus. Suuri hitsi aikaansaa suuremman muodonmuutoksen kuin pieni hitsi. Monipalkohitsaus lisää T-liitoksen kulmavetäytymää yksipalkohitsaukseen verrattuna SHY Hitsauksen teoriaopetus B4 Kutistuminen, jäännösjännitykset ja muodonmuutokset 8 Yksi ja kaksipuoliset pienahitsit Hitsattaessa pienarailoon molemmilta puolilta hitsi numero 2 voidaan korjata hitsin numero 1 aiheuttamaa kutistumaa oikeaan suuntaan, mutta ei kokonaan. Pieni ennakko (taipuman huomiointi) vaaditaan. Ks. kuva. Hitsaussuunnitelma putken hitsaamiselle laippaan B.4.8 Korjaavat toimenpiteet Hitsausohjeet . Hitsausohjeessa voidaan antaa palkojärjestys sekä huomioida pienin mahdollinen lämmöntuonti. Ennakot Taivutus toiseen suuntaan kuin mihin hitsi vetää on eräs keino lopullisen rakenteen mittoihin saamiseksi. Yleensä se vaatii kuitenkin kokemusta juuri kyseisestä tuotteesta ja onnistuu vain suhteellisen yksinkertaisilla kappaleilla. Hitsausjärjestys Suunnittelemalla hitsausjärjestys oikein voidaan päästä pieniin mittamuutoksiin. Tosin kutistumia ei voida kokonaan välttää. Hitsaussuunnitelmassa voidaan määrittää, että hitsit tehdään vuorotellen kummallekin puolella siten, että kulmamuodonmuutokset eri paloilla kumoavat toisensa. B.4.9 Muodonmuutosten syntyminen päittäisliitoksessa Lämmöntuonnin, hitsin koon ja muodon sekä palkojen lukumäärän vaikutus Myös päittäisliitoksen hitsauksessa tapahtuu muodonmuutoksia varsinkin, jos esivalmistelut ovat puutteellisia tai jos hitsaus tapahtuu väärin. Kuten pienahitsauksessa vaikuttavat myös tässä samat tekijät kuten lämmöntuonti, hitsausjärjestys, hitsauspalkojen lukumäärä, jne. saavutettavaan lopputulokseen. (Lämmöntuonti, katso moduuli B.4) SHY Päittäisliitoksen (V-railo) taipuma. Hitsauksen teoriaopetus B4 Kutistuminen, jäännösjännitykset ja muodonmuutokset 9 B.4.10 Korjaavat toimenpiteet: hitsausohjeet, suoritustekniikka, hitsausjärjestys, railomuoto, ennakko Hitsausohjeet (WPS:t) Hitsausohjeessa voidaan antaa railomuoto, palkomäärä, palkojärjestys sekä huomioida pienin mahdollinen lämmöntuonti. Hitsausjärjestys Perussääntönä on että rauta rauhoittaa. Eli silloitetaan mahdollisimman iso kokonaisuus estämään muodonmuutosten syntymistä. Myös kappaleen kiinnitys tukevaan alustaan silloittamalla ennen lopullista hitsausta auttaa muodonmuutosten ehkäisyssä. Kappale irrotetaan vasta kun se on jäähtynyt likimain huoneenlämpötilaan (alle 50 asteeseen). Toinen perussääntö on , että hitsataan ensimmäiseksi ne hitsit, jotka ovat kappaleen neutraaliakselilla tai lähellä sitä ja hitsataan mahdollisuuksien mukaan vuoronperään neutraaliakselin molemmin puolin. Pitkissä hitseissä voi jopa tehdä niin, että hitsataan esim. 2-palkohitsauksessa ensin yksi palko kummallakin puolella ja sitten vasta toinen. Jos kappaleessa on sekä pituus- että poikittaishitsejä, kannattaa poikittaishitsit hitsata ensin ja vasta sitten pitkittäishitsit. Näin poikittaishitsit pääsee vapaammin kutistumaan, eikä mahdollisia pahoja poikittaisia jännityksiä tai jopa mikrohalkeamia pääse syntymään. Lämmöntuonti Lämmöntuonnin on oltava vetyhalkeilun kannalta riittävä, mutta varsinkaan hienoraeteräksillä se ei saa olla liian suuri. Liian suuri lämmöntuonti saattaa heikentää teräksen iskusitkeyttä (pakkasen kestävyyttä). Lisäksi suurella lämmöntuonnilla aikaansaadaan myös suuret epäedulliset muodonmuutokset. Nyrkkisääntönä on, että palkoja oltava vähintään ineenpaksuus/3. Näin ollen esimerkiksi 12 mm levyllä tarvitaan vähintään 4 palkoa. Railomuoto Suurissa levyrakenteissa on hitsausjärjestyksellä tärkeä merkitys sisäisten jännitysten välttämisessä. . Yleinen sääntö on, että hitsaus I-railoon aiheuttaa pienemmän muodonmuutoksen kuin hitsaus Vrailoon. Se johtuu siitä, että V-railo on epäsymmetrinen ja leveämpi (vetää enemmän) yläosastaan. Tavanomaista railokulmaa ( = 60) suuremmilla railokulmilla kasvaa muodonmuutosten riski. . Hitsaus symmetrisiin X-railoon antaa tyydyttävän lopputuloksen oikealla hitsaussuunnitelmalla ja hitsaustavalla. SHY Hitsauksen teoriaopetus B4 Kutistuminen, jäännösjännitykset ja muodonmuutokset 10 Ennakko Ennakko on myös tässä ratkaisu, mutta päittäisliitoksissa taipumisen arviointi on huomattavasti vaikeampaa varsinkin suurissa rakenteissa. Vaikeammissa olosuhteissa voidaan käyttää tietyissä tapauksissa niin sanottua ”taka-askelhitsausta” (katso kohta B.2). B.4.11 Muodonmuutosten vaikutukset tavanomaisiin hitsattuihin rakenteisiin ja tarkastusperiaatteiden soveltaminen Päittäishitsien muodonmuutokset Aineenpaksuus vaikuttaa muodonmuutoksiin. Ohuet levyt aaltoilevat jo pienillä lämmöntuonneilla ja vaativat usein paljon työtä oikomisessa (laivanrungot/kansirakenteet, nestesäiliöt/säiliöt, autonpeltityöt jne.). Paksummat levyt eivät ole niin alttiita muodonmuutoksille, mutta sen sijaan niissä jäännösjännitykset jäävät suuremmiksi. paksuilla levyillä on hitsaussuunnitelmalla ja hitsaustavalla suuri merkitys (osat ydinvoimaloissa, öljynporaustornit jne.). Pienahitsien muodonmuutokset Erilaisista profiileista valmistetut ristikkorakenteet vaativat paljon esivalmisteluja hitsaussuunnitelman ja valmistusohjeiden tekemisessä. Myös näissä rakenteissa materiaalien mitoilla on suuri merkitys samalla lailla kuin edellä on esitetty. Railotilavuuden kasvu vaikuttaa Kutistumiin vähintään pinta-alansa verran. Eräässä artikkelissa vaikutus oli jopa toisessa potenssissa eli T-liitoksessa (molemmin puolin hitsattu pienahitsi) kaksinkertaisesta hitsin poikkipinta-alasta seurasi nelinkertainen pituuskutistuma. Hitsausjärjestys SHY Hitsauksen teoriaopetus B4 Kutistuminen, jäännösjännitykset ja muodonmuutokset 11 B.4.12 Muodonmuutosten korjaaminen hitsauksen jälkeen (oikominen) Kun muodonmuutoksia ei voida välttää sopivalla hitsaustavalla jne., niin jäljelle jää vain hitsatun rakenteen oikominen. Tavallisesti käytettyjä toimenpiteet sisäisiä jännityksiä vastaan ovat: 1. Hitsaustekniset 2. Mekaaniset 3. Termiset Hitsaustekniset toimenpiteet on esitetty edellä. Mekaaniset toimenpiteet Eräs ensimmäisistä ehkäisevistä toimenpiteistä muodonmuutosten pienentämiseksi on hitsattavan rakenteen osien tarkka yhteensopivuus. Huono yhteensopivuus aiheuttaa suuria hitsausrailoja/välyksiä ja suuren lämmöntuonnin heittoineen ja kutistumajännityksineen. Huono yhteensopivuus aiheuttaa myös suuria sisäisiä jännityksiä, jotka voivat laueta, jos materiaali johtuu suuremmille rasituksille kuin on suunniteltu. Lämpötilan noustessa metallit tulevat helpommin muovattaviksi, koska myötöraja pienenee lämpötilan noustessa. Tätä voidaan käyttää hyväksi muodonmuutosten korjaamisessa yhdessä mekaanisen voiman kanssa. Vaikeammissa kutistumisjännitysten ja muodonmuutosten tapauksissa voi tämä olla ainoa tapa saada tyydyttävä lopputulos. Tällaisessa työssä voidaan käyttää apuna kiiloja, sulkuväkipyöriä, tunkkeja ynnä muita vastaavia. Termiset toimenpiteet Jännitystenpoistohehkutus on lämpökäsittelyistä tehokkain ja hellävaraisin menetelmä laukaista sisäisiä jännityksiä, mutta se ei ole aina käytännössä taloudellisesti toteuttamiskelpoinen. Kappaleet, jotka vaativat hyvän mittatarkkuuden kuten esimerkiksi turbiinikotelo, potkurin painelaakeri, vaihdelaatikko jne., jännitystenpoisto hehkutetaan ennen loppukoneistusta. Muussa tapauksessa voi koneistus aukaista jännityksiä, jolloin kappaleen mitat muuttuvat. Oikaisu Kylmäoikaisu Kylmäoikaisussa materiaalia muokataan esimerkiksi vasaralla. Oikaisu voidaan suorittaa vastinetta vasten tai venyttämällä. SHY Taivutus vasaralla alaisinta vastaan Hitsauksen teoriaopetus B4 Kutistuminen, jäännösjännitykset ja muodonmuutokset 12 Ohuemmat materiaalit oikaistaan usein hitsiä venyttämällä. Hitsi on juuri se osa, mikä on jäänyt liian lyhyeksi. Tämä johtaa kuitenkin siihen, että hitsistä tulee kova ja hauras. Kuumilla oikaisu Kuumilla oikaisua käytetään muun muassa poistamaan kieroutumia ja lommoilua hitsatuista rakenteista. Kun terästä lämmitetään noin 450 oC:een niin myötölujuudesta ja kimmomoduulista on jäljellä noin puolet. Näin ollen oikomisvoimat ovat pienempiä ja oikomisesta syntyvät jännityksetkin ovat pienempiä. Kuumilla oikaisu voidaan suorittaa matalassa lämpötilassa ja pintakuumennuksella tai läpikuumennuksella. Ruostumattomia teräksiä voidaan myös oikoa kuumilla mutta jälkikäsittely (peittaus) on silloin tarpeen. Toisena perussääntönä on, että jäähdytys tehdään nopeasti. Pintakuumennus Pintakuumennuksella tarkoitetaan sitä, että lämmitetään maksimissaan 1/3-osa kappaleen paksuudesta yläpinnasta. Kylmänä pysyvä materiaali estää kuumentunutta kohtaa laajenemasta ja alue tyssääntyy ja saa pienemmän tilavuuden. Tästä seuraa, että materiaalin jäähtyessä se vetäytyy kohti lämmön keskikohtaa ja materiaali vääntyy siihen suuntaan, mistä lämpöä on annettu. Pintakuumennuksessa max 1/3-osa paksuudesta lämmitetään.Lämmennyt materiaali pyrkii laajenemaan – kylmä osa vastustaa. Jäähtymisen jälkeen lämmitetty materiaali on tyssääntynyt Läpikuumennus Jos kuumennusta jatketaan pitkän aikaa, lämpö ehtii mennä kappaleen läpi, eli kappale kuumenee koko paksuudeltaan. Tällä menetelmällä tyssääntyy materiaali läpi kappaleen. Sama asia tapahtuu kuin pintakuumennuksessa, kuumennut materiaali laajenee mutta ei pääse mihinkään – eli se tyssääntyy. Kun jäähtyminen tapahtuu materiaalia ikään kuin puuttuisi ja täten läpi kuumennettu kohta aiheuttaa lyhenemän. SHY Hitsauksen teoriaopetus B4 Kutistuminen, jäännösjännitykset ja muodonmuutokset 13 Erilaisia oikaisutapoja liekillä Oikaisu liekillä voidaan suorittaa usealla eri tavalla. Tavallisemmin käytettyjä kuumien muotoja ovat: kiilakuumat, viivakuumat ja pistekuumat. Kiilakuumia käytetään kankiin ja profiileihin, mutta sitä voidaan myös käyttää levyihin. Materiaali kuumennetaan läpi kiilamaisesti – kuten nimikin viittaa. Kun kappaleen täydellinen läpikuumennus on saavutettu, työkappale taittuu ”väärään” suuntaan. Mutta jäähtyessään leveämpi osa kuumennetusta kiilasta kutistuu enemmän kuin kapeampi osa kiilakuumasta, jolloin materiaali taipuu oikeaan suuntaan eli kappale oikenee. HUOM.: Katso materiaalistandardeista mahdolliset materiaalikohtaiset rajoitukset maksimilämpötiloille! Kuumennusvyöhyke voi olla joko koko paksuuden läpimenevä tai pinnassa tapahtuva ja sitä käytetään levyliitoksissa. Läpimenevässä kuumennuksessa halutaan materiaali lyhyemmäksi suurten muodonmuutosten poistamiseksi. Kappaleen pinnassa tapahtuvalla kuumennuksella halutaan oikoa pienempiä kuhmuja tai painumia hitsauksen jälkeen. Viivakuuman suuruus on riippuvainen materiaalin paksuudesta. Paksuudella 3-10 mm viivakuumat ovat noin 5-10 mm leveitä ja paksuudella 10-30 mm 20-30 mm leveitä. Viivojen pituus vaihtelee 50-200 mm. Kutistumisvoimat vaikuttavat suorassa kulmassa viivakuumaa vasten, kuitenkin hieman enemmän kuumennuksen suorituspuolella. Oikominen pistekuumien avulla tapahtuu enimmäkseen yhdistettynä iskuihin. Paikallinen kohta lämmitetään – materiaali laajenee – ja syntyvä kohoutuma vasaroidaan suoraksi. Kuumennettu materiaali pakotetaan siis pienenemään. Kuumennetun alueen tulee olla niin pieni kuin mahdollista. Jos alue tulee liian suureksi, niin koko oikominen epäonnistuu. Pistekuumia käytetään ohutlevyjen sekä ohutseinämäisten profiilien ja putkien oikomisessa. SHY
© Copyright 2024