B.4 Kutistuminen, jäännösjännitykset ja muodonmuutokset

Transcription

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