3/2011
[
]
24
sella vetypitoisuuden H
0
alueella, jonka tulisi
kattaa käytännön sovellukset – mielellään
hieman reilustikin.
Kuvan 5 tapauksessa tämä on pääosin tehty
sekä kuivaamalla että kostuttamalla emäs-
puikkoja. Ongelmaksi märässä päässä voi
tällöin tulla hitsin huokoisuus. Siten rutiilipui-
kot ”on tuotu kehiin” tuloksien saamiseksi
suurilla H
R100
-arvoilla. Tarkasti ottaen vedyn
diffuusiokykyä kuvaava kerroin A saa rutiili-
puikkohitseissä hieman suuremman arvon
kuin emäspuikkohitseissä, mutta käytän-
nössä tämä pieni virhe hukkunee hajontaan.
Pienien H
0
-arvojen saamiseksi emäspuikot
kuivataan, jopa hieman yli valmistajan suosi-
tusten, esimerkiksi 425 °C / 5h. Mikäli tämä
ei riitä käytännön tarpeisiin, tehdään ainakin
osa Implant -kokeista esikuumennusta käyt-
täen (ks. ”pr, 100 °C” -tulospiste kuvassa 5).
Varsinkin pienillä lämmöntuonneilla (~ 1 kJ/
mm) tulee kuitenkin huomioida se, että ve-
typitoisuuden määrityksen keskihajonta kas-
vaa hyvin matalilla vetytasoilla. Kerrottakoon
vielä, että kuvan 5 esikuumennettuna saatu
tulospiste edustaa ”pakettikuivaa” tasoa.
Tuloksista laaditaan
σ
netcr
= A – B log(H
R100
)
-regressiosuorat kummallekin lämmöntuon-
nille. Näin on saavutettu kuvassa 5 esitetty
tilanne. Kuvassa on koetulospisteiden yh-
teydessä esitetty myös 95 % -luotettavuus-
rajat niin kriittiselle jännitykselle
σ
netcr(imp)
kuin vetypitoisuudelle HR100. Tyypillisesti
Implant -kokeen antaman
σ
netcr(imp)
-tuloksen
keskihajonta I84-tyyppisellä sauvalla on noin
15 N/mm
2
, kun
σ
netcr(imp)
< 400 N/mm
2
ja ~
4 %, kun
σ
netcr(imp)
> 400 N/mm
2
.
Työ käytännön hitsauksen varotoimenpi-
detarpeen spesifioimiseksi jatkuu tästä.
Ensin tulokset normeerataan koskemaan
erheettömästi kahta eri HAZ:n kovuustasoa
seuraavasti:
■
■
F
I
-korjaus niin, että molemmat regressio-
suorat edustavat samaa arvoa
■
■
HV -korjaus siten, että esikuumennetut
ja huoneenlämpötilassa hitsatut kokeet
edustavat samaa HAZ:n kovuutta
Kuvan tapauksessa ensimmäinen korjaus on
tarpeen, koska Implant -sauvan loven etäisyy-
det (Nd) ovat erilaisesta hitsin tunkeumasta
johtuen erilaiset eri hitsausenergioilla: 2,4
mm (~ 1,0 kJ/mm) ja 2,55 mm (~ 3,0 kJ/
mm). Implant -sauva on siis ollut jännitys-
tilaltaan (~ FI) hieman ankarampi pienem-
mällä, kuin suuremmalla hitsausenergialla.
Normeerauksen seurauksena regressiosuo-
rat tulevat tässä tapauksessa entistäkin
lähemmäksi toisiaan. Mainittakoon, että
ko. regressiosuorien välinen etäisyys kas-
vaa selvästi suuremmaksi teräksillä, joiden
karkenevuus on vähäisempi ja CEV -arvo on
luokkaa
≤
0,4. Lujien, korkeampihiiliekviva-
lenttisten terästen, ja siten myös Optim 700
QL:n tapauksissa hitsausenergiat voisivat
siis poiketa toisistaan enemmän kuin ku-
vassa 5 on esitetty, koska karkenevuudesta
johtuen HAZ:n kovuus kasvaa varsin suureksi
isohkoillakin hitsausenergioilla. Lisäksi an-
karimpia käytännön railomuotoja ajatellen
Implant -kokeita olisi tarkoituksenmukaista
tehdä näin lujille teräksille myös esikuumen-
nettuina – varsinkin kun hitsiaineenkin myö-
tölujuus on 750 MPa :n tasoa.
Kuvan 5 esikuumennettua tapausta kuvaava
piste (”pr, 100 °C”) on normeeraamaton.
Esikuumennus 100 °C lämpötilaan on pi-
dentänyt jäähtymisaikaa t
8/5
reilut kolme
sekuntia (12
15.5 s), mikä puolestaan
on pehmentänyt HAZ:a noin 20 HV -yksiköl-
lä. Kun kovuus laskee yhdellä HV -yksiköllä,
tiedetään, että
σ
netcr
-arvo kasvaa 2 N/mm
2
kyseessä olevan sauvageometrian (I84)
tapauksessa. Täten kovuuskorjaus siirtää
esikuumennustapausta koskevaa pistettä
noin 40 N/mm
2
alaspäin. Korjauksen jälkeen
piste edustaa samaa kovuutta kuin muutkin
korkeamman hitsausenergian pisteet ja si-
tä voidaan käyttää tätä kovuutta edustavan
regressiosuoran määrittämiseen.
Tässä vaiheessa siis tiedetään, millaiset
σ
netcr
-arvot ko. materiaalilla voidaan kyseisis-
sä hitsausolosuhteissa saavuttaa. On aika
siirtyä käytännön sovellutusten asettamiin
vaatimuksiin. Lähtökohtana tälle on seuraa-
va epäyhtälö, jonka tulee toteutua mikrora-
kennetekijän – ja siten hitsin jäähtymisajan
t
8/5
ja HAZ:n kovuuden HV
max
ollessa samat
käytännön hitsaustilanteessa ja Implant- ko-
keessa:
■
■
σ
netcr(imp)
≥
(F
I(str.)
/ F
I(imp)
) .
σ
net(str)
+ s.f.,
jossa
-
σ
net(str)
= m . R
F(str)
≤
R
e(WM)
Käytetyt parametrit on jo edellä esitelty ja
alaindeksi str. viittaa käytännön rakentee-
seen todellisine railomuotoineen. Kerroin
m on laskettavissa ja se riippuu mm. mate-
riaalin lämpölaajenemis-kertoimesta, lämpö-
sisällöstä ja sulamislämpötilasta. Terästen
kaarihitsauksessa kerroin m saa tyypillisesti
arvon 0,045
±
0,005; varmuussyistä suosi-
tellaan käytettäväksi arvoa 0,05.
Regressiosuorien väliin määritetään lineaa-
risesti interpoloimalla kolmas suora, joka
edustaa HAZ:n kovuudeltaan käytännön
sovellusta (so. sama t
8/5
). Mikäli halutaan,
näitä suoria voidaan toki laatia enemmän
kuin yksi, vastaamaan useampaa t
8/5
-arvoa
ja samalla lämmöntuontia sekä tarvittaessa
myös esikuumennuslämpötilan vaikutusta.
Käytännön rakenteen HAZ:n kovuuden las-
kemiseen teräksen kemiallisen analyysin
ja jäähtymisajan t
8/5
pohjalta löytyy kirjalli-
suudesta useita kaavoja. VTT-Osaka -mene-
telmään kytkettynä kehitettiin yksi tällainen
[1,2], jonka toimivuuteen olemme olleet tyy-
tyväisiä niin perinteisten C-Mn -terästen kuin
lujien nuorrutusterästenkin tapauksissa.
Matalahiilisille TMCP -teräksille paransim-
me ennustustarkkuutta pienin modifikaatioin
alkuperäiseen laskentakaavaan [12–14].
Käytettiinpä mitä kovuuden laskentamene-
telmää tahansa, on sen luotettavuus ko.
teräkselle syytä varmistaa. Tämä onnistuu
kätevästi mittaamalla kovuus molempia
lämmöntuonteja vastaavien Implant -koe-
sauvojen karkearakeisista HAZ:eista, jolloin
liikutaan t
8/5
:n ja kovuuden osalta käytännön
sovellusten kanssa ”samalla hehtaarilla”.
Tämän jälkeen sijoitetaan viimemainitulle
suoralle pisteinä ne
σ
netcr(imp)
-arvot, jotka ku-
vaavat kyseisen käytännön sovelluksen vaa-
timuksia varmuuslisineen ja tarkoittavat em.
epäyhtälön ratkaisuja halutuilla RF -tasoilla
ja hitsauksessa käytettävien railomuotojen
FI -arvoilla. Loppuratkaisu on näin muodoin,
että luetaan kuvan 5 abskissalta em. vaati-
muspisteitä vastaavat H
R100
-arvot. Nämä
puretaan eri R
F
-arvoille ja/tai railogeomet-
rioille asetettaviksi vaatimuksiksi käyttäen
välittävänä suureena jäähtymisaikaa t
15/1
.
Tuloksena asetettavat vaatimukset voivat
olla siis muotoa: tietyllä lämmöntuonnilla
sallittu maksimi vetypitoisuus huoneenläm-
pötilahitsauksessa tai tarpeen vaatiessa
esikuumennus tiettyyn, lämmöntuonnista
ja vetypitoisuudesta riippuvaan lämpötilaan.
Näin eksakti esitystapa ei yksiselitteisesti
toteudu artikkelin taulukoissa 2 ja 3 esitet-
tyjen esikuumennuslämpötilojen osalta. Ne
on kytketty asiaa perustelematta hieman
Implant -kokeissa käytettyä suurempaan läm-
möntuontiin: 1 kJ/mm, jolla tarkoitettaneen
vaadittua minimiarvoa. Kyllin selvästi ei ole
tuotu esiin, koskevatko artikkelissa esitetyt
esikuumennuslämpötilat vetypitoisuuden
maksimin osalta arvoa 5,6 ml/100g DM,
jolla Implant -kokeet tehtiin.
Näinkin raskas menettely on tarpeen, koska
Implant -koe ei poikkea käytännön päittäis-
liitoksesta pelkästään jännityskonsentraati-
on vaan myös jäähtymistapahtuman osalta.
Edellä kuvattua kevyempää menettelyä voi
luonnollisesti harkita voimakkaasti karke-
neville teräksille. Tällaisen ”kevennetyn”
menettelytavan käyttö kohtalaisen karkene-
valle kuumalujalle T24 teräkselle on esitetty
lähteissä [6,7]:
- (i) määritetään kirjallisuudessa julkaistuis-
ta [3,12] käyrästöistä (esim. JSSC) halutun
esikuumennuslämpötilan vaikutus jäähtymis-
aikaan t
15/1
- (ii) lasketaan ’uuden’ t
15/1
-arvon aiheutta-
ma muutos vedyn diffuusioparametriin
Σ
D
Δ
t
- (iii) käytetään näin saatua diffuusioparamet-
rin arvoa laskettaessa uusi, esikuumennus-
lämpötilaa vastaava H
R100
-arvo
- (iv) lasketaan tämän vaikutus Implant -mur-
tojännityksen
σ
netcr
-kaavan vetytekijään ”435
log H
R100
”
- (v) oletetaan Implant murtorajan kulmaker-
roin (so,
σ
netcr
= A – B log(H
R100
) -regressio-
