LISÄMODULI PSS Ruostumattomat teräkset ja
LISÄMODULI PSS Ruostumattomat teräkset ja niiden hitsaus PSS 1: Ruostumattomat teräkset ja niiden ominaisuudet PSS 1.1: Määritelmä PSS 1.2: Passiivikalvo PSS 1.3: Ruostumattomien terästen merkinnät PSS 1.4: Ruostumattomien terästen ryhmittely PSS 1.5: Ruostumattomien terästen ominainaisuuksia PSS 1.6: Käyttökohteita PSS 1.7: Tavallisimpia ruostumattomia teräslajeja PSS 1.8: Ruostumattomat teräkset (Outokumpu Stainless) PSS 2: Hitsattavuus PSS 2.1: Hitsattavuus PSS 2.2: Austeniittisten ruostumattomien terästen hitsattavuus PSS 2.3: Austeniittis-ferriittisten nruostumattomien terästen hitsattavuus PSS 2.4: Muiden ruostumattomien terästen hitsattavuus PSS 3: Hitsausprosessit ja työturvallisuus PSS 3.1: Hitsausprosessit PSS 3.2: Työturvallisuus PSS 4: Hitsauksen suoritus PSS 4.1: Railot ja railonvalmistus PSS 4.2: Hitsausohjearvoja puikkohitsaukseen PSS 4.3: Hitsausohjearvoja MIG/MAG-hitsaukseen PSS 4.4: Hitsausohjearvoja TIG-hitsaukseen PSS 4.2: Hitsausmuodonmuutokset PSS 5: Hitsauslisäaineet ja suojakaasut PSS 5.1: Lisäaineiden tuotemuodot PSS 5.2: Lisäainestandardit ja luokittelumerkinnät PSS 5.3: Lisäaineen valinta PSS 5.4: Suojakaasut PSS 6: Korroosio, juurensuojaus, hitsien jälkikäsittely ja jälkilämpökäsittely PSS 6.1: Korroosionkestävyys PSS 6.2: Korroosiotyypit PSS 6.3: Juurensuojaus PSS 6.4: Hitsien puhdistus PSS 6.4: Hitsien lämpökäsittely PSS 7: Musta/ruostumaton-eripariliitosten hitsaus PSS 7.1: Perusteet PSS 7.2: Schaeffler-diagramit 1 PSS 1 Ruostumattomat teräkset ja niiden ominaisuudet PSS 1.1: Määritelmä PSS 1.2: Passiivikalvo PSS 1.3: Ruostumattomien terästen merkinnät PSS 1.4: Ruostumattomien terästen ryhmittely PSS 1.5: Ruostumattomien terästen ominainaisuuksia PSS 1.6: Käyttökohteita PSS 1.7: Tavallisimpia ruostumattomia teräslajeja PSS 1.8: Ruostumattomat teräkset (Outokumpu Stainless) PSS 1.1 Määritelmä Ruostumattomien terästen raaka-ainestandardin SFS-EN 10088 määritelmän mukaan ”Ruostumattomat teräkset ovat teräksiä, joissa korroosionkestävyys on keskeinen ominaisuus sekä joissa on vähintään 10,5 % kromia ja enintään 1,2 % hiiltä”. Kromin ansiosta teräs kykenee passivoitumaan eli muodostamaan pinnalleen korroosionkestävyyden antavan oksidikalvon. Pelkästään kromiseostuksella saavutetaan hyvä kestävyys ilmastollista korroosiota vastaan, mutta agressiivisemmat olosuhteet vaativat suurempaa seostusta. Useimmissa ruostumattomissa teräksissä onkin enemmän kromia kuin tämä vähimmäismäärä sekä myös muita seosaineita, esim. nikkeli ja molybdeeni. PSS 1.2 Passiivikalvo (oksidikalvo) Kuten edellä mainittiin korroosionkestävyys perustuu teräksen pinnalla olevaan passiivikalvoon, jota kutsutaan myös oksidikalvoksi (kromioksidikalvo), joka on siis hapen ja kromin yhdiste. Passiivikalvo muodostuu nopeasti happen läsnäollessa (esim. ilmassa). Se on kova, tiivis, läpinäkyvä ja äärimmäisen ohut, vain muutamia kymmeniä naometrejä paksu (nm = 0,000001 mm) eli n. 0,00001-0,00003 mm). Tämä kalvo suojelee terästä ulkoisilta korroosiohyökkäyksiltä. Jos se vaurioituu, se muodostuu nopeasti uudestaan. Toisin kuin alumiinin hitsauksessa, jossa oksidikalvo haittaa hitsausta huomattavasti, ruostumattoman teräksen hitsauksessa sitä ei ole juuri haittaa. Oksidikalvo on kuitenkin myös helposti vaurioituva, jolloin korroosio voi saada alkunsa, esim. rakenneteräksen aiheuttamat naarmut ja hankaumat. PSS 1.3 Terästen merkinnät Eurooppalaisen standardi (SFS-EN 10088) antaa kaksi vaihtoehtoista merkintäjärjestelmää: Kemialliseen koostumukseen perustuva merkintä Numeerinen merkintä Kemialliseen koostumukseen perustuva merkintä: X5CrNi18-10 X: vähintään yhden seosaineen pitoisuus on väh. 5 % (”runsasseosteinen teräs”) 5: hiilipitoisuuden %-nimellisarvo x 100 Cr, Ni jne: seosaineiden kemialliset tunnukset tulevat peräkkäin pitoisuuksien alenevassa järjestyksessä 18, 9 jne: seosaineiden pitoisuudet samassa järjestyksessä ja kunkin seosaineen nimellispitoisuuden %arvo pyöristettynä lähimpään kokonaislukuun. Eri seosaineiden tunnukset erotetaan toisistaan väliviivalla 18: kromipitoisuuden nimellisarvo (%) 10: nikkelipitoisuuden nimellisarvo (%) Numeerinen merkintä: 1.XXYY 1: materiaaliryhmän numero (1 = teräs) XX: teräsryhmän tunnusluku 2 40: Mo-, Nb- ja Ti-seosteiset ruostumattomat teräkset, joissa Ni-pitoisuus on alle 2,5 % 41: Mo-seostetut, mutta Nb- ja Ti-seostamattomat teräkset, joissa Ni-pitoisuus on alle 2,5 % 42: 43: Mo-, Nb- ja Ti-seostamattomat teräkset, joidem Ni-pitoisuus on väh. 2,5 % 44: Mo-seostetut, mutta Nb- ja Ti-seostamattomat teräkset, joissa Ni-pitoisuus on väh. 2,5 % 45: erikoisseostetut teräkset 46: kemiallisesti kestävät ja korkeanlämpötilan Ni-seokset 47: tulenkestävät teräkset, joiden Ni-pitoisuus on enint. 2,5 % 48: tulenkestävät teräkset, joiden Ni-pitoisuus on väh. 2,5 % 49: muut teräkset korkeisiin lämpötiloihin YY: järjestysluku PSS 1.4 Ruostumattomien terästen ryhmittely Ruostumattomat teräkset jaetaan seuraaviin pääryhmiin vallitsevan mikrorakenteensa perusteella: austeniittiset ferriittiset austeniittis-ferriittiset martensiittiset ruostumattomat teräkset Teräksen kemiallinen koostumus määrää pääasiassa syntyvän mikrorakenteen, kuten alla olevasta taulukosta selkeästi nähdään. Kullakin teräsryhmällä on selkeästi toisistaan hyvin erilaisia ominaisuuksia, kuten myöhemmästä luettelosta nähdään. Suomessa n. 90 % ruostumattomista levy- ja nauhatuoteista on austeniittisia teräksiä. Näistä on noin puolet tavallisia ”ruostumattomia” teräksiä (”18/8”) ja noin puolet ”haponkestäviä” teräksiä (”18/12/3”). Ruostumattomien terästen pääryhmät ja esimerkkejä terästen koostumuksista 3 PSS 1.5 Eri ruostumattomien terästen ominaisuuksia Austeniittisten terästen ominaisuuksia: runsaasti seostettuja Cr- tai CrNiMo-teräksiä (myös muita seosaineita voi olla) koostumusalue: C< 0,10%, 16%<Cr<28%, 3,5%<Ni<32%, Mo<7%, Cu<4,5%, N<0,25% ei-karkeneva teräs erinomainen sitkeys hyvä sitkeys myös matalissa lämpötiloissa erinomainen hitsattavuus kohtalainen lujuus suuri lujuus kylmämuokkaamalla (”kylmälujittaminen”) erinomainen korroosionkestävyys, paitsi vakioteräksillä jännityskorroosionkestävyys runsas Ni-seosteisilla teräksillä hyvä jännityskoroosionkestävyys hyvä virumislujuus ja hapettumiskestävyys korkeissa lämpötiloissa hyvä muovattavuus huono lastuttavuus huono abrasiivisen kulumisen kestävyys ei-magneettinen Austeniittis-ferriittisten (duplex-) terästen ominaisuuksia: runsaasti seostettuja CrNi- ja CrNiMo-teräksiä (myös muita seosaineita voi olla) koostumusalue: C< 0,03%, 21%<Cr<26%, 3,5<Ni<8%, Mo<4,5%, N<0,35% ei-karkeneva teräs hyvä sitkeys hyvä hitsattavuus suuri lujuus erinomainen korroosionkestävyys, myös jännityskorroosio magneettinen Ferriitisten terästen ominaisuuksia: matalahiilisiä Cr-teräksiä (voi olla myös vähän Ni ja Mo) koostumusalue: C< 0,08%, 10,5%<Cr<30%, Ni<1,6%, Mo<4,5%, N<0,05% ei-karkeneva teräs melko suuri lujuus kohtalainen sitkeys kohtaölainen hitsattavuus ”halpoja” ruostumattomia teräksiä kohtalainen korroosionkestävyys hyvä jännityskorroosionkestävyys magneettinen Martensiittisten terästen ominaisuuksia: runsashiilisiä Cr-teräksiä (voi olla myös vähän Ni ja Mo) koostumusalue: C< 1,2%, 11,5%<Cr<17%, Ni<6%, Mo<1,8%, V<0,2% karkeneva teräs hyvin suuri lujuus ja kovuus hyvä kulumiskestävyys vaatimaton korroosionkestävyys huono sitkeys hyvin huono hitsattavuus magneettinen 4 Oheisissa tauluikossa on vertailtu ruostumattoman teräksen ominaisuuksia rakenneteräksen ja alumiinin ominaisuuksiin sekä lisäksi eri ruostumattomomia teräksiä keskenään.. Eri materiaalien ominaisuuksia Austeniittinen (Cr-Ni) Rakenneteräs Alumiinit ruostumaton teräs Väri Hopeanharmaa Ruskehtava Vaalean harmaa Lämmönjohtavuus n. 50 % 100 % n. 500 % Lämpölaajeneminen n. 150 % 100 % n. 200 % Magnetisoitavuus Ei On Ei Karkenevuus Ei Kyllä Ei ja on 1) Polttoleikattavuus Ei On Ei Korroosionkestävyys On Ei On 1) ”Karkenevuus” ei-lämpökäsiteltävät, muokattavat seokset: ei ja lämpökäsiteltävät seokset: kyllä Ominaisuus Eri ruostumattomien terästen ominaisuuksia Tyyppi Magneettisuus Lämmönjohtavuus @ 20oC (W/Km) Austeniittinen Ferriittinen Austeniittis-ferriittinen Martensiittinen Hiiliteräs (0,1%C) Ei On On On On 13-15 23-25 16 25 52-63 Lämpölaajenemiskerroin @ 20-100oC (10-61/K) 15-17,5 10-10,5 13 10,5 12 Tiheys @ 20oC (kg/dm3) Resistiivisyys @ 20oC (W/mm2/m) Jähmettymisalue (oC) 7,9-8,0 7,7 7,8 7,7 7,8 0,7-1,0 0,6-0,7 0,8 0,6-0,8 0,15 1420-1330 1500-1435 1465-1390 1497-1435 1514-1440 Austeniittinen ruostumaton teräs eroaa taulukon mukaan monilta fysikaalisilta ominaisuuksiltaan rakenneteräksestä ja alumiinista kuin myös muista ruostumattomista teräksistä: mm. magneettisuus, lämmönjohtavuus, lämpölaajenemiskerroin, resistiivisyys ( sähkönjohtavuus) ja jähmettymisalue. Nämä erot ovat tärkeitä sekä hitsattavan rakenteen suunnittelun että hitsauksen kannalta. Ei-magneettisuus ei vaikuta juurikaan hitsaukseen. Austeniittiset teräkset voidaan helposti tunnistaa toisista teräksistä magneetin avulla. Austeniittisen teräksen jähmettymislämpötilat ovat matalampia kuin muilla teräksillä, mistä syystä ne sulavat hieman helpommin (nopeammin) kuin muut teräkset. Austeniittinen teräs on huonosti lämpöä johtava, mistä johtuen lämpötilagradientit (lämpötilaerot) ovat jyrkempiä, mikä lisää hitsausmuodonmuutoksia. Tämä hidastaa myös hitsin jäähtymisnopeutta, mikä edistää herkistymistä. Austeniittisen teräksen lämpölaajenemiskerroin on teräksistä selvästi korkein, mutta ei kuitenkaan alumiinin luokkaa. Suuri lämpölaajenemiskerroin lisää hitsausmuodonmuutoksia. Esimerkiksi pituuden lisäys 1 metrin o pituisessa sauvassa on, kun se kuumennetaan 500 C:seen: Seostamaton rakenneteräs: 6 mm Austeniittinen teräs: 9 mm Alumiini: 12 mm Austeniittisen teräksen viisi kertaa suurempi resistiivisyys verrattuna seostamattomaan teräkseen on tärkeä asia hitsauksen kannalta. Lämpöä kehittyy samalla virralla tai sama määrä pienemmällä virralla. Tämä yhdessä matalamman sulamislämpötilan kanssa aiheuttaa sen, että lisäaine sulaa nopeammin ja tuotto on suurempi samalla virralla. Hitsauspuikoille tämä merkitsee, että ne joudutaan valmistamaan lyhyempinä kuin muiden terästen puikot.. PSS 1.6 Käyttökohteita paperi- ja selluteollisuus elintarviketeollisuus 5 kemianteollisuus meijeri-, panimo- ja juomateollisuus öljyntuotanto tankkerit sairaalalaitteet talous- ja keittiötarvikkeet autojen katalysaattorit ja pakoputkistot kuljetus- ja liikennvälineet PSS 1.7 Tavallisimpia teräslajeja Seuraavassa on esitetty esimerkkejä tavallisimpien EN-teräslajien kemiallisia koostumuksia kustakin pääryhmästä: austeniittisia teräksiä: 1.4301 (X5CrNi18-10): max 0,07%C, 17,00-19,50%Cr, 8,00-10,50%Ni 1.4306 (X2CrNi19-11): max 0,030%C, 18,00-20,00%Cr, 10,00-12,00%Ni 1.4307 (X2CrNi18-9): max 0,030%C, 17,50-19,50%Cr, 8,00-10,00%Ni 1.4541 (X6CrNiTi18-10): max 0,08%C, 17,00-19,00%Cr, 9,00-12,00%Ni, 5xC-0,70%Ti 1.4436 (X3CrNiMo17-13-3): max 0,05%C, 16,50-18,50%Ni, 2,50-3,00%Mo 1.4401 (X5CrNiMo17-12-2): max 0,07%C, 16,50-18,50%Cr, 10,00-13,00%Ni, 2,00-2,50%Mo 1.4404 (X2CrNiMo17-12-2): max 0,030%C, 16,50-18,50%Cr, 10,00-13,00%Ni, 2,00-2,50%Mo 1.4571 (X6CrNiMo17-12-2Ti): max 0,08%C, 16,50-18,50%Cr, 10,50-13,50%Ni, 2,00-2,50%Mo, 5xC0,70%Ti 1.4438 (X2CrNiMo18-15-4): max 0,030%C, 17,50-19,50%Cr, 13,00-16,00%Ni, 3,00-4,00%Ni, max 0,11%N 1.4439 (X2CrNiMoN17-13-5): max 0,030%C, 16,50-18,50%Cr, 12,50-14,50%Ni, 4,00-5,00%Mo, 0,12-0,22%N 1.4539 (X1NiCrMoCu25-20-5): max 0,020%C, 19,00-21,00%Ni, 4,00-5,00%Mo, 1,20-2,00%Cu, max 0,15%N 1.4547 (X1CrNiMoCuN20-18-7): max 0,030%C, 19,50-20,50%Cr, 17,50-18,50%Ni, 6,00-7,00%Mo, 0,50-1,00%Cu, 0,18-0,25%N austeniittis-ferriittisiä teräksiä (duplex-teräksiä): 1.4462 (X2CrNiMoN22-5-3): max 0,030%C, 21,00-23,00%Cr, 4,50-6,50%Ni, 2,50-3,50%Mo, 0,100,22%N 1.4507 (X2CrNiMoCuN25-6-3): max 0,030%C, 24,00-26,00%Cr, 5,50-7,50%Ni, 2,70-4,00%Mo, 1,00-2,50%Cu, 0,15-0,30%N ferriittisiä teräksiä: 1.4002 (X6CrAl13): max 0,08%C, 12,00-14,00%Cr, 0,10-0,30%Al 1.4003 (X2CrNi12): max 0,030%C, 10,50-12,50%Cr, 0,30-1,00%Ni 1.4512 (2CrTi12): max 0,030%C, 10,50-12,50%Cr, max 0,65%Ti 1.4016 (X6Cr17): max 0,08%C, 16,00-18,00%Cr 1.4521 (X2CrMoTi18-2): max 0,025%C, 17,00-20,00%Cr, 1,80-2,50%Mo, max 0,80%Ti martensiittisia teräksiä: 1.4006 (X12Cr13): 0,08-0,15%C, 11,50-13,50%Cr 1.4021 (X20Cr13): 0,16-0,25%C, 12,00-14,00%Cr 1.4028 (X30Cr13): 0,26-0,35%C, 12,00-14,00%Cr martensiittis-austeniittisia teräksiä: 1.4313 (X3CrNiMo13-4): max 0,05%C, 12,00-14,00%Cr, 3,50-4,50%Ni, 0,30-0,70%Mo 1.4418 (X4CrNiMo16-5-1): max 0,06%C, 15,00-17,00%Cr, 4,00-6,00%Ni, 0,80-1,50%Mo 6 PSS 1.8 Ruostumattomat teräkset (Outokumpu Stainless) Outokumpu Stainless Oy on yksi maailman johtavista ruostumattomista teräsyhtiöistä maailmassa. Se valmistaa austeniittisia, austeniitis-ferriittisiä, ferriittisiä ja martensiittisia ruostumattomia teräksiä. Sen valmistamat teräslajit on esitetty oheisessa taulukossa. Outokummun nykyinen tuotemerkki teräksille on EN-merkintä ilman alkuossa eli 1, joten EN 1.4462 on Outokumpu 4462. Taulukko palvelee myös hyvänä terästen standardimerkintöjen vertailutaulukkona. Outokumpu Stainless Oy:n valmistamat ruostumattomat teräkset 7 PSS 2 Hitsattavuus PSS 2.1: Hitsattavuus PSS 2.2: Austeniittisten ruostumattomien terästen hitsattavuus PSS 2.3: Austeniittis-ferriittisten nruostumattomien terästen hitsattavuus PSS 2.4: Muiden ruostumattomien terästen hitsattavuus PSS 2.1 Hitsattavuus Hitsattavuudelle on monia erilaisia määritelmiä, joista yksi on SFS 3050 standardin mukaan: “Hitsattavuus on materiaalin ominaisuus, joka ilmoittaa missä määrin se soveltuu hitsattavaksi”. Se on siis tämän mukaan materiaaliominaisuus ja se voi olla esim. erittäin hyvä, hyvä, huono ja hyvin huono. Tavallaan hitsattavuus ilmaisee helppoutta, jolla materiaalia voidaan hitsata ilman ominaisuuksien liiallista heikkenemistä tai ilman halkeamien ym. metallurgisten virheiden syntymistä liitokseen. Hitsattavuus on sitä parempi, mitä vähemmän huomiota on kiinnitetettävä materiaalitekijöihin laadittattaessa valmistusta varten hitsausohjetta, jossa joudutaan määrittelemään mm. esikuumennus, välipalkolämpötila, lämmöntuonti ja jälkilämpökäsittely. Ruostumattomat teräsryhmät eroavat toisistaan hyvin huomattavasti hitsattavuuden suhteen, koska hitsattavuus vaihtelee erittäin hyvästä erittäin huonoon: Austeniittiset teräkset: hyvä – erittäin hyvä hitsattavuus Duplex-teräkset: hyvä hitsattavuus Ferriittiset teräkset: kohtalainen hitsattavuus Martensiittiset teräkset: huono – hyvin huono hitsattavuus Kunkin pääryhmän sisällä on vielä terästen alaryhmiä, joiden hitsattavuus vielä vaihtelee keskenään. PSS 2.2 Austeniittiset teräkset Austeniittiset teräkset on hyödyllistä ryhmitellä vielä kahteen ryhmään hitsattavuuden kannalta: Austeniittiset vakioteräkset: erittäin hyvä hitsattavuus Mikrorakenne: austeniittinen + yleensä hiukan ferriittiä 18/8-tyyppiset teräkset 18/12/3-tyyppiset teräkset Austeniittiset erikoisteräkset: hyvä mutta vaativa hitsattavuus Mikrorakenne: täysin austeniittinen Runsas Mo-seosteiset teräkset (yli 3 % Mo) Esim. 904L (EN 1.4529), 254SMO (EN 1.4547) ja 654SMO Halkeiluilmiöt Koska austeniittiset teräkset eivät ole karkenevia teräksiä, niin niillä ei ole mitään vetyhalkeilukerkkyyttä hitsauksessa. Austeniittiset teräkset ovat myös hyvin sitkeitä, joten jännitysten aiheuttamaa halkeilua ei myöskään esiinny. Austeniittiset teräkset ja erityisesti hitsiaineet ovat kuitenkin taipuvaisia kuumahalkeiluun. Kuumahalkeilu on yhteyksissä epäpuhtauksiin, kuten rikkiin ja fosforiin, jotka muodostavat terästä huomattavasti matalimmissa lämpötiloissa sulavia/jähmettyviä yhdisteitä, jotka erkaantuvat jähmettymisen loppuvaiheessa yleensä hitsin keskilinjalle ja raerajoille. Hitsissä vallitsevat jännitykset voivat repiä auki sulat kalvot, minkä tuloksena syntyy halkeama. Hitsiaineen ferriittipitoisuudella on suuri vaikutus kuumahalkeiluun. Vakioterästen lisäaineet ovat yleensä koostumukseltaan sellaisia, että hitsiaineeseen muodostuu pieni määrä ferriittiä, minkä ansiosta kuumahalkeilutaipumus on yleensä suhteellisen pieni. Erikoisterästen hitsiaineet ovat kuitenkin kuten teräksetkin koostumukseltaan sellaisia, että ne ovat täysin austeniittisia, jolloin kuumahalkeilutaipumus voi 8 suhteellisen suuri. Tästä syystä lisäaineiden epäpuhtauspitoisuudet (rikki ja fosfori) ovat normaalia matalammat ja niissä on korkeahko Mn-seostus, mitkä pienentävät halkeilutaipumusta. Erikoisterästen hitsauksessa on halkeilutaipumuksen takia syytä rajoittaa lämmöntuontia (esim. max 10-15 kJ/cm) ja välipalkolämpötilaa (max 100-150 oC). Hitsipalon leveys/syvyys-suhde pitää olla välillä 1-1,5, koska kapeat ja syvät hitsit ovat tavallista herkempiä halkeilulle. Hitsien mekaaniset ominaisuudet Austeniittisten terästen hitsien lujuus on yleensä vähintään perusaineen lujuus. Sitkeys saattaa olla hieman heikentynyt, mutta on silti vielä erinomainen. Korroosionkestävyys Raerajakorroosio. Se on nimensä mukaisesti raerajoja pitkin tapahtuvaa syöpymistä. Teräs altistuu raerajakorroosiolle, kun sitä kuumennetaan tietyllä vaarallisella lämpötila-alueella (n. 500-900 oC). Kuumennuksen aikana syntyy kromikarbideja (kromin ja hiilen yhdiste), jotka rikastuvat raerajoille. Tätä ilmiötä kutsutaan herkistymiseksi. Tällöin raerajojen läheiset alueet “köyhtyvät” kromista, jolloin ne altistuvat korroosiolle käyttöolosuhteissa. Herkistysmisalttiutta voidaan tarkastella ns. herkistymisdiagrammin avulla, josta selviää herkistymisen riippuvuus teräksen hiilipitoisuudesta. Raerajakorroosio Herkistyminen (kromikarbidien erkautuminen raerajoille) Herkistymisdiagrammi Herkistyminen esiintyy erityisesti hitsauksen yhteydessä, jossa aivan hitsin viereinen alue kuumentuu vaaralliselle lämpötila-alueelle. Ilmiö riippuu kuumennusajasta ja teräksen hiilipitoisuudesta. Mitä korkeampi hiilipitoisuus on ja mitä pidempi aika on, sitä enemmän herkistymistä tapahtuu. Monipalkohitsauksessa tiettyyn osaa liitosta vaikuttavien palkojen aiheuttamat herkistymisajat lasketaan yhteen kokonaisaikaa varten, yleensä 1-3 palkoa. Herkistymisen ja sitä seuraavan raerajakorroosion estämiseksi on varsinaisesti kaksi perustapaa: 9 käytetään riittävän matalahiilistä terästä, esim. max 0,03 % C (ns. L-laatu): varma tai max 0,05 % C: suhteellisen varma toimenpide. käytetään ns. stabiloitua terästä, Nb- tai Ti-stabilointi. Näillä seosaineilla on suurempi taipumus yhdistyä hiilen kanssa kuin kromilla, mikä estää kromikarbidien muodostumisen. Lisäksi hitsauksessa hitsataan mahdollisimman “kylmästi” eli rajoitetaan lämmöntuontia ja välipalkolämpötilaa, jolla pystytään tietyissä rajoissa myös vastustamaan herkistymistä. Tänä päivän raerajakorroosio hitseissä on suhteellisen harvinainen korroosiomuoto, koska hitsattavat teräkset ovat nykyään lähes “luonnostaan” riittävän matalahiilisiä. Tästä syystä ei ole kovinkaa suuria rajoituksia vakioterästen hitsauksessa lämmöntuonnille. Jännityskorroosiohalkeilu. Jännityskorroosiohalkeilua syntyy silloin, kun teräksessä on vetojännityksiä lämpimässä kloridipitoisessa ympäristössä. Jännitykset voivat olla tuosta hitsauksesta, taivutuksesta tai ne ovat kuormituksen aikaansaamia käytössä. Korroosio etenee kapeina ja haaroittuvina halkeamina (säröinä) teräksen pinnalla ja menevät teräksen läpi paksuussuunnassa. Jännityskorroosiolle ovat alttiita austeniittiset teräkset ja niistä tavanomaiset vakioteräkset. Austeniittiset teräkset, joissa on yli 25 % Ni, ovat kestäviä. Duplex-teräkset ja ferriittiset teräkste ovat kestäviä jännityskorroosiota vastaan. Korroosion välttämiseksi kyse on lähinnä oikea, kestävän teräslajin valinnasta. Piste- ja rakorroosio. Näitä korroosiomuotoja esiintyy helposti hitsausvyöhykkeellä (hitsiaineessa ja vierellä vyöhkkeellä), jos hitsejä ei puhdisteta huolellisesti hitsauksen jälkeen ja putkihitsauksessa ei ole tehty juurensuojausta tai se on tehyt huolimattaomasti. Esikuumennus, välipalkolämpötila, lämmöntuonti ja jälkilämpökäsittely Austeniittiset teräkset eivät tarvitse esikuumennusta hitsausta varten. Jos esiintyy kosteutta, niin se on luonnollisesti kuivattava esim. kevyesti lämmittämällä. Austeniittisten vakioterästen kohdalla lämmöntuonnille ja välipalkolämpötilalle on suhteellisen “lievät” rajoitukset. Tärkeimmät syyt rajoituksille on herkistymisen estäminen ja kuumahalkeilun välttäminen. Koska nykyiset teräkset ovat yleensä riittävän matalahiilisiä (max 0,05 % C), niiden herkistymistaipumus on pieni. Koska hitsiaineissa on yleensä ferriittipitoisuus 3-15 %, niin myös kuumahalkeilutaipumus on pieni. Jonkinlainen raja lämmöntuonnille on riippue aineenpaksuudesta ja palkojen määrästä ehkä noin max 20-30 kJ/cm. Välipalkolämpötilan rajoitus on luokkaa max 200 oC. Austeniittisten erikoisterästen kohdalla tilanne on kuitenkin toinen. Niiden herkistymistaipumus on myös pieni, koska terästen hiilipitoisuus on yleensä max 0,03 %. Koska hitsiaineet ovat täysin austeniittisia, kuumahalkeilutaipumus on suurehko, mistä syystä lämmöntuontia ja välipalkolämpötilaa on rajoitettava, esim. 254SMO-teräksellä max 15 kJ/cm ja max 150 oC. Toinen syy näihin rajoituksiin on sitkeydelle ja korroosionkestävyydelle haitallisten erkautumien synty. Austeniittisten terästen hitseille ei yleensä ole tarpeen tehdä jälkilämpökäsittelyä. Joskus se voi olla kuitenkin tarpeen, esim. voimakkaan kylmämuokkauksen jälkeen tai mittatarkkuuden parantamiseksi. Silloin on syytä kääntyä asiantuntijan puoleen sopivan lämpötilan määrittämiseksi. PSS 2.3 Austeniittis-ferriittiset teräkset (duplex-teräkset) Myös duplex-teräkset on hyödyllistä ryhmitellä vielä kahteen ryhmään hitsattavuuden kannalta: Vakioduplex-teräkset (keskiseosteiset duplex-teräkset): hyvä hitsattavuus Mikrorakenne: austeniittis-ferriittinen (noin 50:50) 22/5/3-tyyppiset teräkset: esim. EN 1.4462 ja SAF 2205 Superduplex-teräkset (runsasseosteiset duplex-teräkset): hyvä hitsattavuus, mutta vaativa Mikrorakenne: austeniittis-ferriittinen (noin 50:50) 25/7/4-tyyppiset teräkset: esim. EN 1.4410 ja SAF 2507 10 Halkeiluilmiöt Koska duplex-teräkset eivät ole myöskään karkenevia teräksiä, niin niillä ei ole siitä johtuvaa vetyhalkeilukerkkyyttä hitsauksessa. Kuitenkin jos hitsiaineen ferriittipitoisuus on poikkeuksellisen korkea (yli 75 %, > 110 FN), vetypitoisuus korkea ja hyvin jäykkä rakenne, vety voi aiheuttaa hitsissä kylmähalkeilua. Duplex-teräkset ovat myös hyvin sitkeitä, joten jännitysten aiheuttamaa halkeilua ei myöskään esiinny. Duplex-terästen ja hitsiaineiden herkkyys kuumahalkeilulle on pieni, koska ne sisältävät paljon ferriittiä. Hitsien mekaaniset ominaisuudet Duplex-hitsiaineiden lujuus on aina korkeampi kuin teräksen lujuus. Hitsien iskusitkeys on yleensä huonompi kuin teräksen ja muutosvyöhykkeen, mutta on kuitenkin yleensä riittävä. Hitsiaineen iskusitkeyteen vaikuttaa ferriittipitoisuus ja lisäaineen “emäksisyys”. Korkea ferriittipitoisuus heikentää iskusitkeyttä. “Emäksiset” lisäaineet (puikkohitsaus/emäspuikko, täytelankahitsaus/emästäyte ja jauhekaarihitsaus/emäsjauhe) antavat parempiin iskusitkeyttä kuin “rutiiliset” lisäaineet. Näillä saadaan hyvää iskusitkeyttä vielä -40 oC:ssa. Parasta iskusitkeyttä sadaan TIG-hitsauksella, koska hitsiaine on metallurgisesti puhtainta. Korroosionkestävyys Herkistymistaipumus on nykyaikaisilla duplex-teräksillä pieni, koska ne ovat yleensä erittäin matalahiilisiä. Niiden piste- ja rakokorroosionkestävyys on parempi kuin austeniittisten vakioterästen, mutta hitsauksessa on luonnollisesti huolehdittava hitsien puhdistuksista ja juurensuojauksesta, jotta hyvä kestävyys säilyy hitsatuissakin tuotteissa. Jännityskorroosionkestävyys on hyvä korkea ferriittipitoisuuden ansiosta. Esikuumennus, välipalkolämpötila, lämmöntuonti ja jälkilämpökäsittely Esikuumennus ei ole yleensä tarpeen duplex-terästen hitsauksessa. Lämmöntuonti pitää olla tiettyjen rajojen sisällä eli ei liian matala eikä liian korkea. Duplex-teräksille ei yleensä ole tarpeen tehdä mitään jälkilämpökäsittelyä. Yleiset suositukset välipalkolämpötilalle ja lämmnötuonnille ovat seuraavat: vakioduplex-teräkset: välipalkolämpötila: max 250 oC lämmöntuonti. 0,5-2,5 kJ/mm super-duplex-teräkset: välipalkolämpötila: max 100-150 oC lämmöntuonti. 0,2-1,5 kJ/mm PSS 2.4 Muut ruostumattomat teräkset Ferrriittiset teräkset Ferriittisiin teräksiin kuuluu useita alaryhmiä, jotka eroavat toisistaan myös hitsattavuuden suhteen. Stabiloimattaomat ferriittiset teräkset: Esim. EN 1.4016 (EN X8Cr17, AISI 430) Hitsattavuus: kohtalainen Stabiloidut ferriittiset teräkset: Esim. EN 1.4512 (EN X2CrTi12, AISI 409), EN 1.4521 (EN X2CrTi12, AISI 444) Hitsattavuus: Suhteellisen hyvä Niukkahiiliset ferriittis-martensiittiset teräkset: Esim. EN 1.4003 (X2CrNi12) Hitsattavuus: Suhteellisen hyvä Stabiloimattomat ferriittiset teräkset ovat taipuvaisia rakeenkasvuun ja siihen liittyvään haurauteen. Tästä syystä lämmöntuonti on pidettävä matalana. Esikuumennusta voidaan käyttää stabiloimattomien ferriittisten terästen hitsauksessa, kun aineenpaksuus ylittää noin 3 mm. Kuumahalkeilu ei ole yleensä mikään ongelma näiden terästen hitsauksessa. Kylmähalkeilua voi esiintyä erityisesti stabiloimattomien terästen kohdalla, mihin auttaa esikuumennus. 11 Ferriittiset teräkset ovat alttiita herkistymiselle ja raerajakorroosiolle, jos ne eivät ole riittävän matalahiilisiä tai stabiloituja. Martensiittiset teräkset Martensiittiset teräkset ovat nimensä mukaisesti karkenevia teräksiä ja vieläpä erittäin voimakkaaasti ilmassa karkenevia, eivätkä ne ole varsinaisesti tarkoitettu hitsattuihin rakenteisiin. Hitsattavuus on huono tai erittäin huono riippuen lähinnä hiilipitoisuudesta. Teräkset ovat niin karkenevia, että esikuumennus ei pysty estämään niiden karkenemista hitsauksessa. Karennut muutosvyöhyke on korkeasta hiilipitoisuudesta johtuen kovaa ja haurasta sekä erittäin altis vetyhalkeilulle. Esikuumennus ja riittävä välipalkolämpötila sekä jälkilämpökäsittely ovat tärkeitä tekijöitä hitsauksen onnistumiseksi ja halkeilun estämiseksi. Matalahiilisimmät teräkset (C = 0,1-0,2 %) voidaan usein hitsata pelkästään käyttämällä esikuumennusta 200-300 oC ja tekemällä jäähtyminen hitaasti. Runsashiiliset teräkset (C > 0,2 %) vaativat esikuumennuksen lisäksi lämpökäsittelyn, joka olisi tehtävä vasta hitsin jäähdyttyä välilämpötilaan n. 100-150 oC, jotta muutusvyöhyke muuttuu kokonaan martensiitiksi. Tämän jälkeen tehdään lämpökäsitely mikrorakenteen päästämiseksi (so. tekemiseksi sitkeäksi). Martensiittisten terästen ryhmään luetaan usein myös ns. pehmeämartensiittiset teräkset, jotka ovat itse asiassa martensiittis-austeniittisia teräksiä, ns. 13/4- ja 16/5/1-teräkset Ne ovat yleensä valuteräksiä. Ne on kehitetty erityisesti hitsattavuuden ja sitkeyden parantamiseksi. Ohuet aineenpaksuudet eivät tarvitse aina esikuumennusta eikä hehkutusta. 12 PSS 3 Hitsausprosessit ja työturvallisuus PSS 3.1 Hitsausprosessit Lähes kaikki hitsausprosessit soveltuvat ruostumattomien terästen hitsaukseen. Tavallisimmat prosessit ovat kaarihitsausprosesseja, mutta myös puristushitsausprosessit soveltuvat, mm. vastushitsaus ja tapitushitsaus sekä erikoisprosessit, esim. laserhitsaus. Kaarihitsausprosesseja: Puikkohitsaus MIG/MAG-hitsaus Täytelankahitsaus (suojakaasun kanssa eli MAG-täytelankahitsaus mutta myös ilman) TIG-hitsaus Plasmahitsaus Jauhekaarihitsaus Myös ruostumattoman teräksen hitsauksessa on tapahtunut voimakasta siirtymistä puikkohitsauksesta ”lankahitsaukseen”, erityisesti MAG-täytelankahitsaukseen, vaikka puikkohitsaus onkin Suomessa edelleen käytetyin prosessi mitattuna kulutetun lisäainemäärän perusteella. Ehkä suurimpana syynä tähän on putkien ja putkistojen hitsaus, jota on paljon. Konepajahitsauksissa MAG-täytelankahitsaus lienee jo yleisin yhdessä MIG/MAG-hitsauksen kanssa. PSS 3.2 Työturvallisuus Ruostumattoman teräksen kaarihitsauksessa syntyy haitallisia huuruja ja kaasuja. Huurut sisältävät mm. kromia (kromi-VI -yhdisteet) ja nikkeliä (nikkeliyhdisteet), jotka luokitellaan Työministeriön päätöksellä syösairauksien vaaraa aiheuttavien aineiden luetteloon. Ruostumattoman teräksen hitsaajat joutuvat käymään säännöllisesti terveystarkastuksissa. Tästä syystä ruostumattoman teräksen hitsauksessa on erityisesti huolehdittava siitä, että hitsaajat altistuvat mahdollisimman vähän huuruille. Kuinka paljon huuruja syntyy ja mikä on niiden koostumus, riippuu pääasiassa hitsausprosessista, lisäaineen kemiallisesta koostumuksesta ja hitsausparametreistä. Eniten ja haitallisinta huurua muodostuu puikkohitsauksessa ja vähiten TIG-hitsauksessa. Jauhekaarihitsauksessa huurua ei synny piilossa palavan valokaaren ansiosta. Hyvä yleisilmanvaihto ei riitä alkuunkaan haittojen vähentämiseen, mistä syystä erilaisten kohdepoistolaitteiden käyttö on tarpeen. Paras torjuntatoimenpide on asiallinen ja kunnossa oleva sekä oikein käytetty hengityksensuojain, johon on liitetty raitisilmapuhallus maskin sisälle hitsaajan hengitysvyöhykkeelle. Kaasumaisista epäpuhtauksista haitallisin on otsoni, jolle altistumista voidaan tehokkaasti vähentää myös sopivalla kohdepoistolla ja hengityksensuojaimella (raitisilmamaskilla). a) Raitisilmamaski b) Paikallispoisto c) Imevä hitsauspistooli Samalla tavalla haitallisia savuja syntyy termisessä leikkauksessa (so. plasma- ja laserleikkauksessa), jossa syntyvät määrät ovat yleensä huomattavasti suurempia. Haittojen eliminoimiseksi täytyy myös leikkauksessa järjestää sopivat torjuntatoimenpiteet: paikallispoisto, plasmaleikkaus veden päällä tai veden alla. 13 PSS 4 Hitsauksen suoritus PSS 4.1: Railot ja railonvalmistus PSS 4.2: Hitsausohjearvoja puikkohitsaukseen PSS 4.3: Hitsausohjearvoja MIG/MAG-hitsaukseen PSS 4.4: Hitsausohjearvoja TIG-hitsaukseen PSS 4.2: Hitsausmuodonmuutokset PSS 4.1 Railot ja railonvalmistus Ruostumattomien terästen railomuodot eivät juuri poikkea rakenneterästen railomuodoista. Railomuodon valinta riippuu mm. hitsausprosessista ja aineenpaksuudesta. Railomuodoista on myös eurooppalaiset standardit, joissa esitetään sopivat railomuodot ja toleransseineen eri hitsausprosesseille ja aineenpaksuuksille. SFS-EN 29692: Puikko-, kaasukaari- ja kaasuhitsaus. Railomuodot terästen hitsaukseen SFS-EN ISO 9692-2: Terästen railomuodot. Osa 2: Jauhekaarihitsaus Levyjen leikkaukseen ja railonvalmistukseen ei voida käyttää tavanomaista polttoleikkausta, koska ruostumattoman teräksen korkea kromipitoisuus estää polttoleikkaustapahtuman, so. materiaalin palamisen hapessa. Leikkaukseen ja railojen tekemiseen käytetään mekaanista leikkausta, plasmaleikkausta tai laserleikkausta. PSS 4.2 Hitsausohjearvoja puikkohitsaukseen a) Putkihitsaus 14 Levyhitsaus (jalkoasento) 15 c) Levyhitsaus (jalko- ja pystyasento) 16 PSS 4.3 Hitsausohjearvoja MIG/MAG-hitsaukseen a) Pienahitsaus 17 b) Päittäishitsaus 18 PSS 4.4 Hitsausohjearvoja TIG-hitsaukseen 19 PSS 4.5 Hitsausmuodonmuutokset Hitsaus aiheuttaa muodonmuutoksia hitsatussa kappaleessa, koska materiaali kuumenee ja laajenee epätasaisesti. Austeniittisissa ruostumattomissa teräksissä tämä on huomattavasti voimakkaampaa kuin rakenneteräksissä tai muissa ruostumattomissa teräksissä, koska austenittisen teräksen lämpölaajenemiskerroin on huomattavasti suurempi ja lämmönjohtuminen puolestaan huomattavasti pienempi. Muodonmuutoksia on sekä poikittaisia että pitkittäisiä kuvan mukaisesti. Hitsauksen aiheuttamia muodonmuutoksia Rakenteen suunnittelussa ja valmistusvaiheita valittaessa on syytä kiinnittää huomiota muodonmuutoksia ehkäiseviin toimenpiteisiin. Ruostumattomat teräkset on silloitettava tiheämpään kuin rakenneteräkset. Muodonmuutoksia voidaan pienentää sopivalla hitsausjärjestyksellä. Osat voidaan kiinnittää tukevasti kiinnittimeen hitsausta varten. Pieni lämmöntuonti (hitsausenergia) hitsauksessa pienentää myös muodonmuutoksia. Hitsaus molemilta puolin (esim. X-railo) on edullisempi tapa kuin yhdeltä puolen hitsaus, mikäli se on vain mahdollista. Osien esitaivutuksella voidaan myös vähentää lopullisia muodonmuutoksia. Taka-askelhitsauksella voidaan pienentää myös muodonmuutoksia. Hitsauksessa vääristyneitä rakenteita voidaan korjata oikaisulla: mekaaninen taivuttaminen, vasarointi ja kuumilla oikaisu. Mekaaninen taivutus ja vasarointi lujittavat austeniittista terästä, mistä syystä niiden käytössä on oltava varovaisia. Syntyvät jännitytykset lisää jännityskorroosiovaaraa. Niistä voi jäädä myös rakennetta ”rumentavia” jälkiä. Kuumilla oikaisu perustuu paikallisesti rajatun alueen kuumentamiseen, millä pystytään oikomaan rakenteita. Pintaan annettu kuuma taivuttaa lopuksi levyä siihen suuntaan, mistä kuuma on annettu. Kuumilla o oikomisessa on varottava, ettei kuumennettu kohta viivy liian pitkään herkitysalueella 450-900 C. Kuumennetuille kohdille on tehtävä samat jälkipuhdistukset kuin hitseillekin. 20 PSS 5 Hitsauslisäaineet ja suojakaasut PSS 5.1: Lisäaineiden tuotemuodot PSS 5.2: Lisäainestandardit ja luokittelumerkinnät PSS 5.3: Lisäaineen valinta PSS 5.4: Suojakaasut PSS 5.1 Lisäaineiden tuotemuodot Lisäaineen tuotemuoto riippuu käytettävästä hitsausprosessista: Hitsauspuikko: puikkohitsaus Hitsauslanka (umpilanka): MIG/MAG-hitsaus sekä TIG- ja plasmahitsaus, jos käytetään koneellista langansyöttöä Hitsauslanka (umpilanka): jauhekaarihitsaus Täytelanka: täytelankahitsaus (suojakaasunkanssa tai ilman) Halkaisijat Yleisimmät hitsauslisäaineiden halkaisijat Lisäaine Hitsauspuikot Hitsauslangat (MIG/MAG) Hitsauslangat (Jauhekaari) Hitsaussauvat (TIG) Täytelangat mm mm mm 0,8 1,0 1,2 mm 1,6 1,6 1,2 1,6 1,2 1,6 mm 2,0 2,0 mm 2,5 mm 3,2 mm 4,0 2,4 3,0 4,0 2,4 3,2 mm 5,0 PSS 5.2 Lisäainestandardit ja luokittelumerkinnät Kaikille lisäaineryhmille on eurooppalainen standradi: SFS-EN 1600: Hitsauspuikot ruostumattomien ja tulenkestävien terästen puikkohitsaukseen SFS-EN 12072: Hitsauslangat ja hitsaussauvat ruostumattomien terästen ja tulenkestävien terästen kaarihitsaukseen SFS-EN 12073: Täytelangat ruostumattomien terästen ja tulenkestävien terästen täytelankahitsaukseen suojakaasun tai ilman suojakaasua Standardit antavat vaatimukset lisäaineiden luokittelua varten ja antavat ohjeet luokittelumerkinnän muodostamiseksi. Hitsauspuikot ja täytelangat luokitellaan puhtaan hitsiaineen kemiallisen koostumuksen ja mekaanisten ominaisuuksien perusteella sekä lisäksi eräiden muiden lisäaineen ominaisuuksien perusteella. Hitsauslangat (umpilangat) luokitellaan langan kemiallisen koostumuksen perusteella. Esimerkki hitsauspuikon luokittelumerkinnästä: Hitsauspuikko EN 1600 - E 19 12 3 L R 12 (esim. Esab OK 63.30) E: hitsauspuikon/puikkohitsauksen tunnus 19 12 3 L: puhtaan hitsiaineen kemiallisen koostumuksen tunnus 19, 12, 3, L: seosaineiden nimellis-%-pitoisuudet: Cr, Ni, Mo jne (L: niukkahiilinen) R: päällystetyypin tunnus (rutiili) 1: riittoisuuden ja virtalajin tunnus (< 105 % ja AC ja DC) 2: hitsausasennon tunnus (kaikki, paitsi pysty alaspäin) 21 Esimerkki hitsauslangan luokittelumerkinnästä: Hitsauslanka EN 12072 - G 19 12 3 L (esim. Esab OK Autrod 16.32) G: hitsauslangan/MIG/MAG-hitsauksen tunnus (Lisäksi W: TIG-hitsaus ja S: jauhekaarihitsaus) 19 12 3 L: hitsauslangan kemiallisen koostumuksen tunnus 19, 12, 3, L: seosaineiden nimellis-%-pitoisuudet: Cr, Ni, Mo jne (L: niukkahiilinen) Esimerkki täytelangan luokittelumerkinnästä: Täytelanka EN 12073 - T 19 12 3 L R M 3 (esim. Esab OK Tubrod 14.31) T: täytelangan/täytelankahitsauksen tunnus 19 12 3 L: puhtaan hitsiaineen kemiallisen koostumuksen tunnus 19, 12, 3, L: seosaineiden nimellis-%-pitoisuudet: Cr, Ni, Mo jne (L: niukkahiilinen) R: täytetyypin tunnus (rutiilijalko) M: suojakaasun tunnus (seoskaasu) 3: hitsausasennon tunnus (jalko- ja alapiena) Oheisessa taulukossa on SFS-EN 1600 mukaisten puikkojen kemiallinen koostumus (puhdas hitsiaine). Eurooppalaisen standardin SFS-EN 1600 mukaiset ruostumattomat hitsauspuikot 22 PSS 5.3 Lisäaineen valinta Lisäainetoimittajien luetteloissa on yleensä hyvät valintataulukot lisäaineille. Lisäaineet austeniittisille vakioteräksille ovat yleensä perusaineen kemiallista koostumusta vastaavia, vaikka ne ovatkin hieman enemmän seostettuja palohäviöiden kompensoimiseksi. Stabiloidut teräkset voidaan hitsata myös vastaavilla erittäin matalahiilisillä lisäaineilla paitsi korkealämpötilakohteissa, joissa käytetään vastaavia stabiloituja lisäaineita niiden parempien kuumalujuusominaisuuksien takia. Yleensä ruostumattomat 18/8-tyyppiset teräkset voidaan hitsata ”haponkestävillä” 18/12/3-tyyppisillä lisäaineilla paitsi tietyissä korroosio-olosuhteissa, joissa teräs ilman Mo kestää paremmin, esim. typpihappo. Lisäaineet austeniittiset erikoisteräksille ovat yleensä runsaammin seostettuja, erityisesti Mo-pitoisuus, jotta hitsien korroosionkestävyys olisi perusaineen veroinen. Molybdeenillä on voimakas taipumus suotautua hitsin jähmettymisen yhteydessä, jolloin syntyy paikallisia alueita, jotka ovat ”köyhtyneet” molybdeenistä. Nämä kohdat ovat alkukohtia korroosiolle. Esimerkki: 254SMO: 0,01%C-20%Cr-18%Ni-6%Mo-1%Cu-0,20%N lisäaine: 65%Ni-22%Cr-9,5%Mo-Nb-Fe tai lisäaine: 65%Ni-23%Cr-15%Mo Duplex-terästen lisäaineet ovat koostumukseltaan jonkin verran poikkeavia teräksiin verrattuna, koska lisäaineet ovat nikkelillä enemmän seostettuja, jotta hitsiaineeseen saataisiin oikea mikrorakenne (austeniitti/ferriitti, n. 50:50). Jos lisäaineen koostumus olisi teräksen kaltainen, hitsiaineen mikorrakenne olisi lähes täysin ferriittinen, jonka ominaisuudet eivät täyttäisi enää vaatimuksia. Esimerkki: teräs EN 1.4462: 0,02%C-22%Cr-5,5%Ni-3%Mo-0,17%N lisäaine EN 22 9 3 N L: 0,02%C-22%Cr-9%Ni-3%Mo-0,15%N Ferriittiset teräkset hitsataan yleensä austeniittisilla lisäaineilla, jotka antavat hyvin sitkeän hitsiaineen. Austeniittinen lisäaine voi olla EN 19 9 L (AWS 308L), EN 19 12 3 L (AWS 316L), EN 23 12 L (AWS 309L) tai EN 23 12 2 L (AWS 309MoL) teräksestä ja vaatimuksista riippuen. Ferriittisiä lisäaineita ei juuri ole ja niiden hitsiaineen sitkeys on melko huono, mikä lisää halkeiluherkkyyttä. Martensiittiset teräkset hitsataan vaatimuksista riippuen joko perusaineetta vastaavilla lisäaineilla tai austeniittisilla lisäaineilla. Austeniittisilla lisäaineilla, esim yliseostettu, on hyvä hitsiaineen sitkeys, mikä pienentää halkeilutaipumusta. Jos vaaditaan perusainetta vastaavaa lujuutta, on käytettävä martensiittisia lisäaineita. Oheisessa taulukossa on suuri joukko erilaisia ruostumattomia teräksiä, joille on annettu yleiset lisäainesuositukset. Lisäainesuositukset on esitetty hitsauspuikkojen standardin mukaisella seostunnuksella. Hitsauslangoille pätevät samat suositukset. Mainitut lisäaineet eivät ole ainoita, vaan muitakin tilanteen mukaan voidaan käyttää. Hitsauslisäaineiden valinta ruostumattomille teräksille Teräs: Teräs: EN 10088 EN 10088 Austeniittiset vakioteräkset 1.4301 X5CrNi18-10 1.4306 X2CrNi19-11 1.4307 X2CrNi18-9 1.4311 X2CrNiN181-10 1.4310 X10CrNi18-8 1.4318 X2CrNi18-7 Teräs: AISI Hitsauspuikko: Seostunnus SFS-EN 1600 304 304L 304L 304LN 301 301 E 19 9 L E 19 9 L E 19 9 L E 19 9 L E 19 9 L E 19 9 L 1.4541 X6CrNiTi18-10 321 E 19 9 Nb, E 19 9 L 1.4401 1.4404 1.4406 1.4432 X5CrNiMo17-12-2 X2CrNiMo17-12-2 X2CrNiMoN17-12-2 X2CrNi8Mo17-12-3 316 316L 316LN 316L E 19 12 3 L E 19 12 3 L E 19 12 3 L E 19 12 3 L 23 1.4436 1.4435 1.4429 X3CrNiMo17-13-3 X2CrNiMo18-14-3 X2CrNiMoN17-13-3 316 316L 316LN E 19 12 3 L E 19 12 3 L E 19 12 3 L 1.4571 X6CrNiMoTi17-12-2 316Ti E 19 12 3 Nb, E 19 12 3 L Austeniittiset erikoisteräkset 1.4438 X2CrNiMo18-15-4 1.4439 X2CrNiMoN17-13-5 317L 317LMN E 19 13 4 N E 19 13 4 N, E 18 16 5 N L 1.4539 1.4547 1.4652 904L S31254 S32654 E 20 25 5 Cu N L AWS: E NiCrMo-3 AWS: E NiCrMo-13 X1NiCrMoCu25-20-5 X1CrNiMoCuN20-18-7 X1CrNiMoCuMnN24-22-7 Austeniittis-ferriittiset teräkset (duplex-teräkset) 1.4462 X2CrNiMoN22-5-3 S32205 1.4410 X2CrNiMoN25-7-4 S32750 E 22 9 3 N L E 25 9 3 Cu N L Ferriittiset teräkset 1.4512 X2CrTi12 1.4016 X6CrTi17 1.4510 X3CrTi17 1.4521 X2CrMoTi18-2 1.4509 X2CrTiNb18 1.4113 X6CrMo17-1 409 430 430Ti 444 441 434 E 19 9 L, E 23 12 L E 19 9 L, E 17, E 23 12 L E 19 9 L, E 23 12 L E 19 12 3 L, E 23 12 2 L E 23 12 L E 19 12 3 L, E 23 12 2 L Martensiittiset teräkset 1.4006 X12Cr13 1.4021 X20Cr13 1.4028 X30Cr13 410 420 420 E 13, E 23 12 L E 13, E 23 12 L E 13, E 23 12 L Martensiittis-austeniittiset teräkset 1.4313 X3CrNiMo13-4 1.4418 X4CrNiMo16-5-1 (”248SV”) CA-6NM - E 13 4 E 16 5 PSS 5.4 Suojakaasut Suojakaasun päätehtävä kaasukaarihitsauksessa on antaa suoja hitsaustapahtumalle ympäröivää ilmaa vastaan. TIG- ja plasmahitsauksessa se suojaa samalla myös kuumaa elektrodia hapettumiselta. Suojakaasut on standardisoitu eurooppalaisessa standardissa: SFS-EN 439: Suojakaasut kaarihitsaukseen ja leikkaukseen Standardi luokittelee kaasut niiden kemiallisen koostumuksen ja reagointitavan perusteella neljään ryhmään: inertit kaasu ja kaasuseokset (I): Ar, He, Ar+He hapettavat kaasuseokset (M): Ar+CO 2 , Ar+O 2 tai Ar+(CO 2 +O 2 ) voimakkaasti hapettavat kaasut ja kaasuseokset (C): CO 2 , O 2 tai CO 2 +O 2 pelkistävät kaasuseokset (R): Ar+H 2 Ruostumattomien terästen MAG-hitsauksessa käytetään lähes inerttejä suojakaasuja, joista tavallisimpien kaasujen koostumus on: Ar+1-3 % CO 2 Ar+1-3%O 2 24 Pieni aktiivisen kaasun (CO 2 tai O 2 ) seostus kuitenkin tarvitaan, jotta valokaari olisi vakaa ja aineensiirtyminen roiskeetonta. Suurempi määrä CO 2 aiheuttaa hiilipitoisuuden liiallista kasvua, mikä heikentää hitsiaineen korroosionkestävyyttä ja suurempi määrä O 2 aiheuttaa seosaineiden palohäviöitä ja hitsin pinnan hapettumista. Hiilipitoisuusvaatimus max 0,03 % täyttyy, jos CO 2 -pitoisuus suojakaasussa on enintään noin 2 %. Tästä syystä ruostumattomien terästen hitsaus on lähes poikkeuksetta MAG-hitsausta. MIG-hitsausta se on hitsattaessa eräitä runsasseosteisia austeniittisia teräksiä käyttäen Ni-valtaisia lisäaineita. TIG-hitsauksessa suojakaasu on yleensä puhdas argon. Mekanisoidussa TIG-hitsauksessa käyetään myös argonin ja vedyn seoskaasuja (Ar+5-15%H 2 ), koska vety lisää tunkeumaa, mikä voidaan hyödyntää suurempana hitsausnopeutena, esim. pituushitsattavien putkien valmistuksessa. Suojakaasun CO 2 -pitoisuuden vaikutus hitsiaineen C-pitoisuuteen MAG-hitsauksessa Suojakaasujen ryhmittely hitsausprosessin ja hitsattavan materiaalin mukaan Suojakaasu HitsausProsessi Hitsattavat metallit Ar, He, Ar+He Ar, He, Ar+He Ryhmä SFS-EN 439 I I TIG MIG Kaikki metallit Kaikki ei-rautametallit Ar+ >0-5%CO 2 Ar+>0-3%O 2 Ar+>0-5%CO 2 +>0-3%O 2 Ar+>5-25%CO 2 Ar+>3-10%O 2 Ar+>0-5%CO 2 +>3-10%O 2 Ar+>5-25%CO 2 +>0-8%O 2 Ar+>25-50%CO 2 Ar+>10-15%O 2 Ar+>5-50%CO 2 +>8-15%O 2 M12 M13 M14 M21 M22 M23 M24 M31 M32 M33 MAG Runsasseosteiset teräkset MAG Seostamattomat ja niukkaseosteiset teräkset MAG Seostamattomat ja niukkaseosteiset teräkset 100%CO 2 C1 MAG Seostamattomat ja niukkaseosteiset teräkset Ar I Juurensuojaus Kaikki metallit Formierkaasu (N 2 +H 2 ) F Juurensuojaus Seostamattomat ja austeniittiset teräkset 25 Suojakaasujen valinta Suojakaasujen valintataulukko (AGA) 26 PSS 6 Korroosio, juurensuojaus, hitsien puhdistus ja lämpökäsittely PSS 6.1: Korroosionkestävyys PSS 6.2: Korroosiotyypit PSS 6.3: Juurensuojaus PSS 6.4: Hitsien puhdistus PSS 6.4: Hitsien lämpökäsittely PSS 6.1 Korroosionkestävyys Hitsien korroosionkestävyyden varmistaminen on ensiarvoisen tärkeätä, koska teräksiä käytetään juuri korroosionkestävyytensä takia. Hitsauksessa ja ylipäätänsä tuotannossa voidaan helposti pilata hyvä korroosionkestävyys huolimattomilla ja virheellisillä työtavoilla. Hitsattaville tuotteille ja hitsausliitoksille saadaan perusaineen veroinen korroosionkestävyys ottamalla huomioon seuraavia asioita: oikea perusaineen valinta käyttöolosuhteisiin oikea lisäaineen valinta perusaineelle ja käyttöolosuhteisiin asianmukainen levyjen ym. ja hitsauslisäaineiden varastointi asianmukainen levyjen ym. käsittely ja työstäminen hyvä yleinen puhtaus tuotantotiloissa ruostumattoman teräksen hitsaus erillään seostamattoman teräksen hitsauksesta ruostumattomalle teräkselle tarkoitetut työkalut varastointialustojen, työtasojen ja nostoelimien suojaus elleivät ole itse ruostumatonta terästä oikea rakenteellinen muotoilu oikea lämmöntuonti hitsauksessa huolellinen ja virheetön hitsaus juurensuojaus tarvittaessa huolellinen hitsien jälkikäsittely (puhdistus) Hitsausalueelle voi syntyä monia ydintymispaikkoja korroosiolle 27 PSS 6.2 Korroosiotyypit Ruostumaton teräs voi kärsiä monista eri korroosiomuodoista. Yleisimmät korroosiomuodot ovat: yleinen korroosio raerajakorroosio pistekorroosio rakokorroosio jännityskorroosio Korroosiotyyppejä Yleinen korroosio Yleisessä korroosiossa syöpyminen on suhteellisen tasaista koko pinnalla, joka on kosketuksissa syövyttävän aineen kanssa. Korroosiota esiintyy yleensä silloin, kun valittu teräs ei ole riittävän kestävä ko. käyttöolosuhteisiin. Se esiintyy pääasiassa happamaissa ja voimakkaasti emäksissä liuoksissa. Se voidaan välttää helposti oikealla teräslajin valinnalla. Taulukkokirjoista löytyy tietoja eri ruostumattomien terästen kestävyydestä erilaisissa olosuhteissa. Raerajakorroosio Raerajakorroosio on nimensä mukaisesti raerajoja pitkin tapahtuvaa syöpymistä. Teräs altistuu raerajakorroosiolle, kun sitä kuumennetaan tietyllä vaarallisella lämpötila-alueella (n. 500-900 oC). Kuumennuksen aikana syntyy kromikarbideja (kromin ja hiilen yhdiste), jotka rikastuvat raerajoille. Tätä ilmiötä kutsutaan herkistymiseksi. Tällöin raerajojen läheiset alueet “köyhtyvät” kromista, jolloin ne altistuvat korroosiolle käyttöolosuhteissa. Tämä esiintyy erityisesti hitsauksen yhteydessä, jossa aivan hitsin viereinen alue kuumentuu vaaralliselle lämpötila-alueelle. Ilmiö riippuu kuumennusajasta ja teräksen hiilipitoisuudesta. Mitä korkeampi hiilipitoisuus on ja mitä pidempi aika on, sitä enemmän herkistymistä tapahtuu. Herkistymisen ja sitä seuraavan raerajakorroosion estämiseksi on varsinaisesti kaksi perustapaa: käytetään riittävän matalahiilistä terästä, esim. max 0,03 % C (ns. L-laatu): varma tai max 0,05 % C: suhteellisen varma toimenpide. käytetään ns. stabiloitua terästä, Nb- tai Ti-stabilointi. Näillä seosaineilla on suurempi taipumus yhdistyä hiilen kanssa kuin kromilla, mikä estää kromikarbidien muodostumisen. Lisäksi hitsauksessa hitsataan mahdollisimman “kylmästi” eli rajoitetaan lämmöntuontia ja välipalkolämpötilaa, jolla pystytään tietyissä rajoissa myös vastustamaan herkistymistä. Tänä päivän raerajakorroosio hitseissä on suhteellisen harvinainen korroosio, koska hitsattavat teräkset ovat nykyään lähes “luonnostaan” riittävän matalahiilisä. 28 Piste- ja rakokorroosio Pistekorroosiota esiintyy teräksen ollessa kosketuksissa kloridpitoisen liuoksen kanssa. Paikallisia syöpymiä (“pistekuoppia”) syntyy, kun kloridit rikkovat paikallisesti oksidikalvon. Tuloksena on syviä kuoppia. Ohut teräslevy voi syöpyä puhki hyvinkin nopeasti. Liuoksen korkea lämpötila ja seisova liuos (ei virtaava) edistävät tätä ilmiötä. Erityisen alttiita tälle ovat hitsauksen vaikutuksesta syntynyt hapettunut pinta (“päästövärit”), jota ei ole puhdistettu (peitattu), kuonajäänteet, vierasruoste ja naarmut teräksen pinnalla. Jopa “harmittoman” tuntuiset puhtaat vedetkin (murtovesi, jätevesi ja klorideja sisältä puhdas vesi) voivat aiheuttaa piustekorroosiota.Teräksen pistekorroosionkestävyys paranee seostuksen myötä, erityisesti kromi. molybdeeni ja typpi. Samanlainen ilmiö voi esiintyä ahtaissa raoissa, jolloin koroosiota kutsutaan rakokorroosioksi. Hitsaustuotannossa on kiinitettävä erityistä huomiota, etteivät ruostumattomien terästen pinnat vaurioidu tai naarmunnu, ja hitseille tehdään huolelliset jälkipuhdistukset sekä putkihitsien juurenpuoli suojataan juurikaasulla. Jännityskorroosio Jännityskorroosiota syntyy silloin, kun teräksesä on vetojännityksiä lämpimässä kloridipitoisessa ympäristössä. Jännitykset voivat olla tuosta hitsauksesta, taivutuksesta tai ne ovat kuormituksen aikaansaamia käytössä. Korroosio etenee kapeina ja haaroittuvina halkeamina (säröinä) teräksen pinnalla ja menevät teräksen läpi paksuussuunnassa. Jännityskorroosiolle ovat alttiita austeniittiset teräkset ja niistä tavanomaiset vakioteräkset. Austeniittiset teräkset, joissa on yli 25 % Ni, ovat kestäviä. Duplex-teräkset ja ferriittiset teräkste ovat kestäviä jännityskorroosiota vastaan. Korroosion välttämiseksi lyse on lähinnä oikea, kestävän teräslajin valinnasta. Tunnetuin jännityskorrosiovaurio Suomessa lienee Kuopiossa tapahtunut hotellin uima-altaan katon romahtaminen altaaseen jännityskorroosion seurauksena. Olosuhteet olivat erittäin otolliset tälle korroosiolle: suuri vetojännitys katon ripustuslangoissa, lämmin kloridipitoinen ilma ja tavallinen austeniittinen teräs. Syynä oli selvä virheellinen teräslajin valinta. Duplex-teräs, ferriittinen teräs tai runsasseosteinen austeniittinen teräs (yli 25 % Ni) olisi kestänyt. PSS 6.3 Juurensuojaus Jos hitsataan yhdeltä puolelta eikä juurenpuolta päästä hitsauksen jälkeen puhdistamaan (esim. peittaamaan), juurenpuoli on suojattava ilman aiheuttamalta hapettumiselta. Tätä toimenpidettä kutsutaan juurensuojaukseksi. Tyypillisesti tällainen tapaus esiintyy putkien hitsauksessa, koska yleensä sisäpuolelle ei päästä tekemään jälkipuhdistusta. Kuuma teräspinta hapettuu, jolloin siihen syntyy ns. päästövärit. Tällä tavalla värjääntyneen pinna korroosionkestävyys on huonompi kuin metallisen kirkkaan pinnan. Korroosionkestävyys voidaan palautta jälkipuhdistuksilla, esim. peittaamalla. Juurikaasun käyttö putken sisäpuolella estää hapettumisen. Tämä edellyttää, että juurikaasu ei sisällä happea ja huuhtelu on tehty riittävän kauan, jotta kaikki happi on sieltä saatu huuhdeltua pois. Juurikaasuina käytetään seuraavia kaasuja ja eri materiaaleille: argon (inertti kaasu) kaikki materiaalit typpi (reagoimaton kaasu) austeniittiset ja duplex ruostumattomat teräkset typpi-vetyseos (reagoimaton ja hiukan pelkistävä kaasu), ns. formierkaasu austeniittiset ruostumattomat teräkset argon-vetyseos (inertti + hiukan pelkistävä kaasu) austeniittiset ruostumattomat teräkset argon-typpiseos (inertti + hieman typpeä seostava kaasu) austeniittiset ja duplex ruostumattomat teräkset 29 Pienet putket ja jopa putkistot voidaan täyttää kokonaan juurikaasulla, jolloin putken päät suljetaan ja jätetään niihin vain pienet sisääntulo- ja ulostuloaukko. Yleensä kuitenkin juurensuojaus tehdään rajaamalla putken sisäpuolelle laipoilla hitsauskohdan alueelle tila, johon johdetaan kaasu toisen laipan kautta ja poistetaan toisen laipan kautta. Ennen hitsausta tehtävää “kaasutusta” kutsutaan myös huuhteluksi. Huuhteluajan on oltava riittävän pitkä, jotta kaikki ilma on saatu pois sisältä ja jäännöshappipitoisuus on mahdollisimman pieni. Tällainen huuhtelu kestää helposti useita minuutteja. Huuhtelun jälkeen pienennetään juurikaasun virtautta niin, että sisäpuolelle jää vain pieni ylipaine. Huuhteluajassa määrittämisessä on otettava huomioon, että se on riittävän pitkä. Tätä varten on nyrkkisääntö, jonka mukaan juurikaasua on virtautettava juurikaasutilaan 5-10 kertainen määrä verrattuna tilan tilavuuteen, jolloin aika on helposti useita minuutteja. Erilaisia juurensuojausjärjestelyitä putkien TIG-hitsaukseen 30 PSS 6.4 Hitsien puhdistus Hitsaus aiheuttaa ruostumattoman teräksen hitsauksessa hitsausalueella terästä suojaavan oksidikalvon rikkoutukisen ja teräspinnan hapettumisen, mikä huomataan pinnalle syntyneistä päästöväreistä. Pintaan muodostuu hauras ja ei-tiivis oksidikerros, johon rikastuu kromia alla olevasta teräksestä. Tähän kerrokseen muodostuu nyt ohut kromiköyhä kerros. Syövyttävä aine pääsee helposti tunkeutumaan huokoinen pintakerroksen läpi alla olevaan kerrokseen, jota se alkaa syövyttää. Lisäksi hitsausalueelle voi jäädä kuonajäänteitä ja erilaisia naarmuja työkaluista. Kun hitseiltä vaaditaan perusaineen veroista korroosionkestävyyttä, kuten yleensä luonnollista on, hitsit pitää puhdistaa hitsauksen jälkeen elintehdä ns. jälkikäsittely. Yksi tavallisimpia syitä ruostumattomien hitsien korroosiovaurioihin on puutteellinen jälkikäsittely tai sen kokonaan tekemättä jättäminen. Vaikka tällaista korroosionkestävyyttä ei vaadittaisikaan, puhdistusta voi vaatia hygieenisyys tai ulkonäkö. Kukapa joisi maitoa hapettuneista putkista tai katselisi hapettuneita hitsejä esim. paperikoneissa! Puhdistus voi olla: mekaaninen, esim. Rst-teräsharjaus, ns. karhunkielilaikka, hionta tai raepuhallus kemiallinen, esim. peittaus tai näiden yhdistelmä Mekaanisten käsittelyiden jäljiltä korroosionkestävyys ei ole vielä hitsaamattoman pinnan veroinen, vaikka saattaa olla usein kuitenkin riittävä. Paras tulos saavutetaan peittaamalla. Se poistaa päästövärittyneen pintakerroksen ja sen alla olevan kromiköyhän kerroksen sekä jättää teräksen pinnan passiivitilaan. Peittaus tehdään olosuhteista riippuen upotuspeittauksena (allaspeittauksena), ruiskupeittauksena, sivelypeittauksena tai pastapeittauksena. eittausaineet (peittaushapot) sisältävät erilaisia happoja, kuten typpihappo, fluorivetyhappo ja suolahappo. Yleensä peittausaineilla on myös passivoiva vaikutus, joten teräspinta jää passiivitilaan peittauksen jäljiltä. Peittausjätteet on huuhdeltava huolelisesti pois, koska ne syövyttävät teräspintaa. Peittauksessa käytettävät hapot ovat voimakkaasti syövyttäviä ja ympöristölle haitallisia. Niiden käsittelyssä tulee noudattaa viranomaisten määräämiä ohjeita. PSS 6.5 Hitsien lämpökäsittely Ruostumattomille hitseille joudutaan tekemään hyvin harvoin mitään lämpökäsittelyä, kun taas seostamattomien ja niukkaseosteisten terästen hitseille suhteellisen usein. Jännitystenpoistohehkutus eli myöstö voidaan joutua joskus tekemään ruostumattomillekin hitseille jännitysten aiheuttamien mittamuutosten vähentämiseksi hitsauksen jälkeisessä koneistuksessa. Austeniittisetn ja duplex-terästen hitsausjännitykset poistuvat vasta suhteellisen korkeissa lämpötiloissa, yli 650 oC:ssa. Koska teräs joutuu tällöin vaaralliselle herkistymisalueelle, myöstö onkin hieman problemaattinen toimenpide eikä yleensä ole suositeltavaa ellei oteta yhteyttä asiantuntijaan. Herkistymisriski voidaan välttää erittäin matalahiilisellä (max 0,03 % C) teräksellä. Lisäksi tällä lämpötilaalueella esiintyy myös haurastumisilmiöitä. Liuotushehkutus on lämpökäsittely, jossa teräs kuumennetaan lämpötila-alueelle n. 1050-1150 oC, pidetään siellä vaadittava aika ja jäähdytetään nopeasti. Liuotushehkutuksessa liukenevat mahdollisesti erkautuneet faasit, mm. kromikarbidit, ja tuloksena saadaan austeniittinen rakenne. Hitsauksen jälkeen tämä on hyvin harvinainen lämpökäsittely. Tunnetuin esimerkki on voimakkaan kylmämuokkauksen (esim. paineastian kylmämuokkaamalla tehty pääty) jälkeinen liuotushehkutus. Jos hitsausalue on herkistynyt hitsauksessa, liuotushehkutuksella voidaan palautta alkuperäinen rakenne. Herkistyminen estetään kuitenkin helpommin aikaisemmin mainituilla toimenpiteillä ilman, että tarvitsee turvautua liuotushehkutukseen. Jos liuotushehkutus ei ole mahdollista tehdä, ns. matalalämpötilamyöstö noin 450 oC:ssa auttaa jännitysten laukeamissa (ehkä vajaa puolet jännityksistä) ja vähentää muodonmuutoksia 31 PSS 7 Musta/ruostumaton-eripariliitosten hitsaus PSS 7.1 Perusteet Ruostumattomat teräkset ovat erinomaisen korroosionkestävyytensä takia paljon käytetty materiaaleja eri teollisuuden aloilla. Koska ne ovat huomattavan kalliita materiaaleja rakenneteräksiin verrattuna, niitä käytetään yleensä vain kohteissa, joissa niiden ominaisuuksia todella tarvitaan. Rakenteiden muissa osissa käytetään rakenneteräksiä. Näis syntyy väistämättä rajakohtia, joissa joudutaan liittämään näitä erilaisia teräksiä toisiinsa. Näistä liitoksista käytetään nimitystä musta/ruostumaton-eripariliitos (tai musta/kirka-liitos jne). Yleensä osapuolet ovat austeniittinen tai duplex-teräs ja seostamaton tai niukkaseosteinen teräs, esim. 1.4436 (X5CrniMo17-13-3, AISI 316) ja S355. Voimalaitosrakenteissa “mustana” osapuolena on usein kuumaluja teräs, esim. 16Mo3, 13CrMo4-5 tai 10CrMo9-10. Kaarihitsauksessa tapahtuu perusaineiden voimakasta sulamista ja niiden sekoittumista tuodun lisäaineen kanssa. Hitsiaineeseen voi syntyä hyvin erilaisia kemiallisia koostumuksia ja mirkorakenteita. Perusaineet käyttäytyvät samalla tavalla kuin samanlaisten terästen hitsauksessa ja “ongelmaalue” onkin juuri hitsiaine. Oikealla lisäaineella ja hitsausmenettelyllä (esim. oikea railomuoto ja sekoittumisen hallinta) pitää varmistaa, että syntyvän hitsiaineen mikrorakenne ja ominaisuudet ovat hyvät eikä se ole hauras ja halkeiluarka sekä sillä on käyttöolosuhteissa vaaditut ominaisuudet. Hitsiaineen korroosionkestävyys ei yleensä ole oleellinen asia, koska vieressä on joka tapauksessa korroosionkestämätön rakenneteräs. Hitsiaineen kemiallinen koostumus määräytyy perusaineiden koostumuksista ja lisäaineen koostumuksesta sekoittumisasteen osoittamassa suhteessa. Sekoittumisasteella tarkoitetaan sulaneiden perusaineiden osuutta hitsiaineessa: Sekoittumisaste (%) = Perusaineen A osuus + Perusaineen B osuus -------------------------------------------------------------------------------------Lisäaineen osuus + Perusaineen A osuus + Perusaineen B osuus Tyypillisiä sekoittumisasteita eri hitsausprosesseilla on seuraavassa luettelossa: MIG/MAG-pulssihitsaus: 10-20 % Puikkohitsaus: 15-30 % MIG/MAG-hitsaus: 20-40 % TIG-hitsaus käyttäen lisäainetta: 20-60 % Jauhekaarihitsaus: 40-80 % TIG-hitsaus ilman lisäainetta: 100 % PSS 7.2 Schaeffler-diagrammit Lisäaineen valintaa voidaan havainnollisesti tarkastella oheisen ns. Schaeffler-diagarmmin avulla, josta voidaan saada selville syntyvän hitsiaineen koostumus (vaikkakaan ei aivan tarkasti) ja hitsiaineen mikrorakenne. Mikrorakenteesta voidaan mm. päätellä, onko sitkeä vai hauras, onko se halkeilualtis vai ei. Eriparihitsiainetta kuvaava piste sijaitsee viivalla, joka yhdistää käytettävän lisäaineen pisteen (puhdas hitsiaine) ja perusaineiden pisteet. Paikka tällä viivalla riippuu sekoittumisasteesta, jota numerot (%-luvut) esittävät. Vielä havainnollisemmin lisäaineen valinta voidaan tehdä ns. Bystramin diagrammin avulla, jonka pohjana olevaan Schaeffler-diagrammiin on piirretty erilaisia vaarallisia alueita, joissa ilmenee halkeilualttiutta ja haurastumista. Tavoiteltava paikka eriparihitsiaineelle on kuvion keskellä oleva harmaa kolmiomainne alue, johon lisäaineen valinnalla pyritään saamaan hitsiaine. 32 Lisäaineen valinta Schaeffler-diagrammin avulla. Eripariliitos: Fe37 (S235)- AISI 304L (EN 1.4306). Lisäaine: yliseostettu OK 67.70 (EN 23 12 2 L, AWS E 309MoL). Bystram-diagrammi, johon on piirretty ns. vaaralliset alueet 33 Lisäaineen valinta Bystramin diagrammin avulla eripariliitoksessa seostamaton rakenneteräs Fe52C (S355) – haponkestävä teräs 18/12/3 (AISI 316) Käytännössä eripariliitokset voidaan lisäaineen valintaa varten jakaa kahteen ryhmään, joissa kummassakin pätevät eri kriteerit lisäaineen valinnalle: Kylmät liitokset: käyttölämpötila alle n. 300 oC Kuumat liitokset: käyttölämpötila yli n. 300 oC ja/tai jälkilämpökäsittely Musta/ruostumaton-eripariliitosten lisäaineet ovat erilaisia ns. yliseostettuja lisäaineita, jotka ovat riittävästi seostettuja kromilla ja nikkelillä, jotta niillä on varaa “laimistua” sekoittuessaan hitsiaineessa seostamattoman teräksen kanssa. Oheinen kuva näyttää havainnollisesti yliseostetun lisäaineen periaatteen. Tavallisimpien yliseostettujen lisäaineiden seostyypit (seostunnukset) standardimerkintöineen kylmiin liitoksiin ovat: 18%Cr-8%Ni-6%Mn: EN 18 8 Mn ja AWS 307 23%Cr-13%Ni: EN 23 12 L ja AWS 309L 23%Cr-13%Ni-3%Mo: EN 23 12 2 L ja AWS 309MoL 29%Cr-9%Ni: En 29 9 ja AWS 312 Kuumiin liitoksiin suositeltavin lisäainetyyppi on Ni-pohjainen seos, jolla parhaietn estetään korkeiden käyttölämpötilojen haitalliset vaikutukset hitsiaineeseen ja jolla liitoksen elinikä on moninkertainen verrattuna tavanomaiseen yliseostettuun lisäaineeseen. Tällaisia lisäaineita ovat esimerkiksi: Puikko: 15%Cr-70%Ni-MnFeNb (EN NiCr15Fe6Mn ja AWS E NiCrFe-3) Lanka: 20%Cr-70%Ni-MnFeNb (EN S Ni 6082 (NiCr20Mn3Nb) ja AWS ERNiCr-3) 34
© Copyright 2024