02 634 1900 retco@retco.fi www.retco.f i Retcolta täysi kattaus tehostettuun hitsaustuotantoon K Ä S I N H I T S A U S > M E K A N I S O I N T I > C O B O T I T > R O B O T I T tehostettuun hitsaustuotantoon Cobotit ja robotit K O N E E T , T A R V I K K E E T J A L I S Ä A I N E E T H I T S A U S A L A N A M M A T T I L A I S I L L E J A A S I A N T U N T I J O I L L E. 2/ 20 21 TEEMA: Hitsattujen rakenteiden suunnittelu Ojantie 36, 28130 Pori Puh
www.kemppi.fi Turvallisempi työympäristö kaikille
(09) 773 2199 tai 050 373 9559 angelica.emeleus@shy.fi Toimituskunta: Editorial Committee Mikko Aarnio, Angelica Emeléus, Minna Herrala, Juha Kauppila, Ari Koskinen, Jani Kumpulainen, Juha Lukkari, Eero Nykänen, Ville Setälä, Tuomas Skriko Toimisto Office Mäkelänkatu 36 A 2 00510 HELSINKI Puh. Timo Björk, Antti Ahola ja Tuomas Skriko 3 Kuormituksen ja lokaalien vaikutusten huomioonottaminen ultralujien pienahitsausliitosten väsymismitoituksessa Antti Ahola 6 Hitsattujen rakenteiden väsytystestaus – tarvitaanko sitä vielä digiajallakin. 050 553 6895 markku@oridea.fi Levikki Circulation 3400 Seuraavat numerot: ilmestyy: 3/2021 Laatu ja NDT 14.6.2021 4/2021 Alihankinta 13.9.2021 Member of The International Institute of Welding Kukin kirjoittaja vastaa itse artikkelinsa sisällöstä eikä Hitsaustekniikka-lehdellä ole mitään vastuuta siitä. (09) 773 2199 www.hitsaus.net Toimitus Editorial Staff Päätoimittaja Editor in Chief Juha Lukkari puh. Pääkirjoitus Hyvä konepajalaatu 2.0 Tuomas Skriko 2 Artikkelit Backward Design – Takaperoista suunnittelua. +alv Subscriptions from abroad 140 . 0500 414 045 juha.lukkari@shy.fi Toimitussihteeri Editorial Assistant Angelica Emeléus puh. teollisuusrobotti Ville Setälä 22 Suojakaasukenkä – kirkas idea ja kirkas hitsi Tor Marlow Barka 24 Olennaisia hitsausstandardeja uudistetaan Ville Saloranta 26 Muuta Kysy vielä jotakin Hitsaustekniikasta! 27 SHY – tiedottaa 28 Tulevia tapahtumia 28 Uusia jäseniä 29 Koulutusuutisia 30 Uutuustuotteita 32 Uutisia 33 Yritysja yhteisöjäsenet 2021 35 SHY:n paikallisosastojen yhteyshenkilöt ja hallitus 2021 36 Tuoteja toimialahakemisto 39 Pilapiirros – Eero Nykänen 40. +VAT TEEMA: Hitsattujen rakenteiden suunnittelu 2/2021 73. Matti Koskimäki, Timo Björk, Antti Ahola ja Tuomas Skriko 8 Vaativien hitsattujen rakenteiden simulointi Mika Korhonen 13 HRO Suunnittelufoorumin webinaari 2020 Juha Kauppila ja Antti Ahola 16 SSAB kohti fossiilitonta terästä HYBRIT-teknologian avulla Jarmo Lilja 19 Cobot . Finlands Svetstekniska Förening r.f. 040 152 4241 hanna.torenius@pp-marketing.fi Osoitteenmuutokset Address changes angelica.emeleus@shy.fi Kirjapaino Printers Oridea / Oriveden Kirjapaino Oy Lehmilaidantie 6 35300 ORIVESI puh. The Welding Society of Finland puh. vuosikerta volume ISSN 0437-6056 Julkaisija Publisher Suomen Hitsausteknillinen Yhdistys r.y. [ www.hitsaus.net ] 2/ 20 21 1 Tilaushinta Suomessa 80 . Lehden aineisto voidaan julkaista uudelleen verkossa. (09) 773 2199 Ilmoitukset Advertisements Hanna Torenius/T:mi Petteri Pankkonen puh
On ollut ilo havaita, että monet hitsaavan teollisuuden eri toimijat ovat lähteneet rohkeasti tähän suuntaan ja osoittavat näin halua toiminnan jatkuvaan parantamiseen ja kehittämiseen. Nämä puolestaan luovat parametrija toimintaikkunat valmistukselle ja sen eri vaiheille digitaalisessa muodossa siirtyvän informaation välityksellä. inhimillisten tekijöiden vaikutuksia on mahdollista vähentää ja haluttu laatutaso sekä -vaihtelu on paremmin hallittavissa ja saavutettavissa. Lainaan tässä yhteydessä itseäni Savon Sanomien viime vuoden marraskuussa julkaistusta blogista Hitsaavan teollisuuden digiaika (https://blogit.savonsanomat.fi/liiketta-liiketoimintaan/hitsaavanteollisuuden-digiaika/): ”Hitsaustuotannon kokonaisvaltainen digitalisoituminen itse asiassa pakottaa määrittelemään suomalaiselle konepajateollisuudelle elintärkeän laadun kvantitatiivisesti. Onko laatu = Lean / Six Sigma / TWM. Vaikka laatua ei pystytä tiivistämään tai yksinkertaistamaan yhteen sanaan tai lauseeseen – eikä yleistykseen ole tarvekaan –, niin tärkeää olisi se, että tämän tarinan alussa mainittujen kvalitatiivisten ja subjektiivisten laatumääritelmien sijaan käytettäisiin laatukriteerejä, jotka voidaan kvantitatiivisesti ja objektiivisesti määrittää, todeta ja siten yksiselitteisesti saavuttaa. Tilastomatemaattisesti tarkasteltuna laatu on hajonnan minimointia. [ www.hitsaus.net ] 2/ 20 21 2 PÄÄKIRJOITUS PÄÄKIRJOITUS Hyvä konepajalaatu 2.0 Konepajaja metalliteollisuustuotteiden nousu yhdeksi Suomen merkittävämmäksi vientisektoriksi viime vuosituhannella perustui pitkälti laatuun. Hitsaustuotantoketjun digitalisoituminen, mitä tässäkin lehdessä on aiemmin tuotu esille ja nyt käsillä olevassa numerossakin tarkastellaan useissa kirjoituksissa suunnittelunäkökulmasta, auttaa ja vaatii kaiken muun toiminnan ohella päivittämään myös laatuajattelua. Onko laatu = NDT. Onko laatu = SFS-EN ISO 3834. Enää ei riitä, että ainoastaan kvalitatiivisesti todetaan lopputuloksen olevan hyvän konepajalaadun mukainen, mikä voi oikeastaan olla jopa pelastus koko alalle.”. Tämän melko filosofisen tarinan vastapainoksi loppuun hieman jotain muuta. Lähtökohtaisesti se, että tehdään oikeita asioita oikein, sovelletaan järkeviä toimintatapoja ja opitaan virheistä, on hyvä perusta laadukkaaseen toimintaan. Kuitenkin, kuten kaikessa muussakin menestyvässä toiminnassa, myöskään hitsaavassa teollisuudessa ei voida jäädä paikoilleen ja tuudittautua menneisyyteen, vaan on katsottava ja erityisesti mentävä eteenpäin. Hitsausliitoksia, hitsattuja rakenteita ja hitsaustuotantoa tarkasteltaessa näin suppea tulkinta ei kuitenkaan ole tarkoituksenmukaista, vaan laatu voidaan käsittää tiettynä laatutasona ja tähän kytkeytyvänä laadun vaihteluna. Laatua ei voida sanoa yhdellä termillä tai lauseella, vaan tapauskohtaisesti sen määrittää yleensä useampi tekijä, mutta yhteistä kaikille tapauksille on se, että laatutekijät tulevat tuotteen loppuasiakkaan ja -käytön vaatimuksista. Tästä päästään koko laatuteeman oleellisimpaan asiaan. opuksiin perehtyneiden olevan samaa mieltä siitä, että niiden sisältöön tutustuminen mahdollistaa alan henkilöille syventymisen asian ytimeen ja perustan rautaiselle ammattitaidolle. Laatu voi olla kaikkia näitä tai sitten ei mitään näistä. Tämä tarkoittaa sitä, että muiden toimintojen rinnalla myös laatu-käsitettä on kehitettävä ja päivitettävä. Tällaisen toimintamallin rakentaminen ja toteuttaminen onnistuneesti, erityisesti alihankintaketjuissa ja globaalissa tuotannossa, edellyttää varmasti vielä paljon työtä monella osa-alueella, mutta digimaailman laajenemisen ansiosta mm. Digitalisoidussa hitsaustuotannossa tuotteen loppukäytöstä määräytyvät toimintaja suorituskykytarpeet ohjaavat materiaalija/tai puolivalmistevalintoja sekä suunnittelupöydällä tapahtuvaa mitoitusta laatuvaatimuksineen. Yli puoli vuosisataa jatkuneen kehityksen aikana puhuttiin – ja myös nykyään puhutaan – hyvästä konepajalaadusta, mutta mitä se on ja miten se määritetään tai mitataan. Mitä hitsauksen laatu sitten on. Suuret kiitokset on osoitettava Miekk-ojan Metalliopin uudistetun version (osat 1-2) koko työryhmälle siitä, että aihealueen kotimaista merkkiteosta on jälleen saatavilla ja siten ylläpidetään hitsauksellekin tärkeän tiedon levittämisen jatkumoa uusille sukupolville. Vaikka menestysresepti on edelleen pääosin sama, vaatii se hieman lisämausteita vastaamaan nykypäivän muuttuneita ja tulevaisuuden muuttuvia toimintaja markkinaympäristöjä. Onko laatu = SFS-EN ISO 5817. Tuomas Skriko Head of Welding Technology LUT-yliopisto tuomas.skriko@lut.fi. Uskon myös muiden ko. Onko laatu = väsymiskestävyys
Voiko vihreämpää rakennemateriaalia enää olla kuin fossiilivapaasti tuotettu, ultraluja ja loputtomasti kierrätettävä teräs. Kuvassa 1 on vertailtu teräksen ja ihmisen elinkaarta. Teräksen tapauksessa koko ketju sanelee, millaisia lopputuotteen ominaisuudet ovat ja miten se pärjää asiakkaan käytössä. Perinteinen suunnittelu ja Backward Design -konsepti Kuvassa 2 on esitetty perinteisen suunnittelun kulku. la voidaan toteuttaa energiatehokkaita ratkaisuja loppuasiakkaille, voidaan koko tuotteen elinkaaren aikaisia päästöjä pienentää merkittävästi. Teräksessä inhimillisiä piirteitä. [ www.hitsaus.net ] 2/ 20 21 3 Taustaa Simuloinnin ja virtuaalisten mallien avulla hitsattujenkin rakenteiden lujuusteknistä käyttäytymistä voidaan tutkia tasolla, jotka ovat aistiemme ulottumattomissa. Tuotteen ominaisuudet ovat tyypillisesti huonommat, mitä puolivalmisteella määritetyt ominaisuudet antavat olettaa. Kaikki tuotantoon liittyvät toiminnot koordinoituvat rakenteellisen ja valmistusteknisen suunnittelun kautta, jonka avulla konkreettista tuotantoa ohjataan. Toki nykyisinkin konepajavalmistuksen työvaiheita ohjeistetaan ja hallitaan laadituilla materiaaliohjeistuksilla ja -rajoituksilla koskien esimerkiksi leikkausnopeutta, kylmämuovausastetta ja hitsin jäähtymisaikaa, mutta ominaisuuksissa tapahtuvaa muutosta prosessien aikana ei voida täysimääräisesti ennustaa lopputuotTimo Björk, Antti Ahola ja Tuomas Skriko. Tässä jutussa käsitellään osittain vielä futuristista teemaa, miten digitaalista tuotantoa voidaan hyödyntää materiaalien kehittämisessä ja niistä tehtävien lopputuotteiden suunnittelussa ja valmistuksessa vastaamaan täsmällisemmin niitä tarpeita, mitä loppukäyttö niiltä edellyttää. Siinä ylemmällä tasolla on kuvattu perinteinen suunnitteluprosessi, jossa lopputuote suunnitellaan puolivalmisteen ominaisuuksilla. Koko prosessia ohjaa ja koordinoi suunnittelu, entistä enemmän digitalisessa muodossa. Näiden mallien avulla rakennettuja digitaalisia kaksosia (DT) hyödyntäen voidaan hakea optimaalisia ratkaisuja niin materiaaleihin kuin niistä tehtävien tuotteiden valmistukseen ja käyttöönkin. Ilmastonmuutoksen vastaisessa taistelussa merkittävä rooli tulee olemaan fossiilivapaasti valmistetuilla teräksillä. Vastaavasti se, miten hyvin yksilöt menestyvät (työ)elämässä ja palvelevat isänmaataan, määräytyy sekä genoettä fenotyypin muodostamasta kokonaisuudesta. Digitaalisuus kattaa siis koko tuotantoketjun materiaalin valmistuksesta aina niistä tehtyjen tuotteiden uusiokäyttöön ja kierrätykseen saakka. Kenenkään ei huoli mieltään asiasta pahoittaa, sillä vertailulla vain havainnollistetaan jutun otsikon sisältöä. Yksittäisten konepajaprosessien ja etenkään niiden kumulatiivista yhteisvaikutusta lopputuotteen ominaisuksiin ei oteta systemaattisesti huomioon. Samalla kun siirrytään entistä lujempiin teräksiin, joilBackward Design – Takaperoista suunnittelua. Ihminen voi olla toki osana toteutusketjua, mutta tässä kokonaisuudessa hänen toimintansa vaikutukset rekisteröityvät järjestelmään. Teräksessä on jatkossakin toki hiiltä, joten materiaalille voidaan myöntää myös hiilinielun status. Joka tapauksessa uuden sukupolven teräkset mahdollistavat paitsi kasvaneen lujuuskapasiteetin, myös uudentyyppisten vaatimusyhdistelmien toteuttamisen
Kuvan 1 analogiassa tämä tarkoittaisi sitä, että yhteiskunta voisi määrittää tulevan kansalaisensa ominaisuudet tarvepohjaisesti sekä genoettä fenotyyppiä optimoiden. loppututkinnon ja muiden senhetkisten saavutusten sekä kehityksen perusteella. Perinteinen suunnittelu ja Backward Design-konsepti.. Idea perustuu siihen, että kaikista tuotantovaiheista on olemassa digitaalinen kuvaus materiaalimallin osalta Kuva 1. Kuva 2. [ www.hitsaus.net ] 2/ 20 21 4 teen ominaisuutena. kuvan 3 mukaisesti ja ne on vielä ketjutettu koherentiksi kokonaisuudeksi. Kun tuotantoketjun osat ovat olemassa digitaalisessa muodossa ja edellisen vaiheen tuottamat ominaisuudet ovat olemassa seuraavan työvaiheen lähtötietoina, voi ketjun taapertaa myös vastavirtaan, kuten kuvan 2 alemmassa osuudessa on esitetty. Ei kuulosta järkevältä ja siksi tarvitaan uudenlaista ajattelua. Yksi vaihtoehtoinen toimintamalli on ns. Onneksi eettiset ja moraalikäsitteemme estävät tuollaisen mallin toteuttamisen, mutta teräkseen idea voidaan soveltaa pragmaattisesti ja se onkin juuri BD:n kantava idea. Elinkaaren analogiat terästuotteella ja ihmisellä. Kuvan 1 analogiaa soveltaen työnantaja valitsisi työntekijänsä hänen syntymätodistuksensa perusteella eikä esim. Backward Design (BD). DT:n rakentaminen sisältää tietysti muutakin, kuten rakenteen geometriatiedon, mutta toki luonne (materiaalimalli), psyyke (jäännösjännitystila) ja elintavat (kuormitus) ovat ulkonäköä (geometria) haasteellisempia osatekijöitä määrittää ja hallita tuotantoketjussa
valitaan optimaalinen lujuustaso rakennemateriaalille käytöstä määräytyvien kuormitusten mukaisesti . Esimerkkejä BD:n idean soveltamisesta: . [ www.hitsaus.net ] 2/ 20 21 5 BD:n edut ja sovellukset BD:n keskeinen idea on, että tuotteen loppukäytöstä (omistaja & käyttäjä) tulevat vaatimukset ohjaavat teräkseltä vaadittavia ominaisuuksia. teräksen hitsausliitokselle ottamalla huomioon tuleva käyttökuormitus . Keskeisessä roolissa BD:n mallissa on myös loppukäytöstä syntyvien rasitusten huomioonottaminen koko tuotantoketjussa. Digitalisoitu materiaalimalli tuotantoketjussa. määritetään kierrätyksen kannalta ylärajat tietyille kierrätyksessä rikastuville jalometalleille Yksittäisen työvaiheen simulointi on jo nykyisinkin mahdollista, mutta koko tuotantoketjun digitalisointi vaatii vielä ponnisteluja. määritetään optimaaliset hitsausparametrit kylmämuovatulle alueelle, jotta ko. Tässä nimenomaan pitää optimoida konepajavalmistuksen kokonaisuus, ei yksittäistä prosessia. Tärkeää on optimointijärjestys – tarkoituksenmukainen laatu aina ensin ja loput tuottavuuteen. määritetään ko. Kuormitus voidaan arvioida virtuaalimallilla, mutta vielä luotettavampi suunnittelutieto syntyy (reaaliaikaisella) mittauksella todellisesta rakenteesta. teräkselle hyvät liitosgeometriat tuottava yhteensopiva MAG-hitsausprosessin lisäaine . kehitetään uusi fossiilivapaa ultraluja teräksen koostumus, josta tehtävissä lopputuotteissa hyvät väsymisja kuumasinkittävyysominaisuudet . Timo Björk, Professori, LUT-yliopisto timo.bjork@lut.fi Antti Ahola, Tutkijatohtori, LUT-yliopisto antti.ahola@lut.fi Tuomas Skriko, Head of Welding Technology, LUT-yliopisto tuomas.skriko@lut.fi. Näin ollen teräksen koostumus ja valssausparametrit määritetään siten, että konepajavalmistuksen jälkeen ollaan asiakkaan haluamassa parametrija ominaisuusikkunassa. Kun tuotantolaadun keskiarvo kohoaa ja toisaalta laatuhajonta pienenee, molemmat tekijät kasvattavat hyödynnettävissä olevaa laatutasoa ja näin ollen kriittisten ominaisuuksien heikennys on kuvan 2 mukaisesti vähäisempää kuin perinteisessä toiminnassa. Myös laadun vaihtelu digitaalisesti kontrolloidussa tuotannossa on vähäisempää. moida maksimoimaan tuotantoa. teräkselle valssausparametrit siten, että teräksellä hyvä särmättävyys . kehitetään ko. Tyypillisesti kysymys on joukosta eri ominaisuuksien yhdistelmiä, joita lopputuotteelta vaaditaan. määritetään optimaalinen ylikuormitus väsymiskestävyyden parantamiseksi ko. Siksi prosessivaiheiden ketjutus DT:iä hyödyntäen on tärkeää. Mutta suunta on toki selvä, kuten laivaa ohjatessakin, peräsimen avulla – takaperoisesti. Merkittävä etu perinteiseen toimintamalliin verrattuna on myös se, että BD mahdollistaa tuotteiden suunnittelun materiaali-, jäännösjännitysja geometriaominaisuuksilla, joissa konepajavalmistuksen vaikutukset on otettu huomioon. kohdan muodonmuutoskyky lopputuotteessa hyvä . Siten BD mahdollistaa kuvan 2 mukaisesti myös läpimenoaikojen lyhentämisen, mikä on lähes aina oleellinen kilpailuetu. Kun asetettu karakteristinen laatutaso on saavutettu, valmistusparametrit voidaan optiKuva 3. Toisaalta konepajavalmistuksen parametrit voidaan määrittää optimaalisesti siten, että puolivalmisteen tietyt halutut ominaisuudet eivät heikkenisi tarpeettomasti (toki jopa ominaisuuksien parantaminenkin on mahdollista)
Jännityskomponenttien vaikutus pienahitsin rajaviivan ja juuren väsymiseen . Antti Aholan LUT-yliopiston teräsrakenteiden laboratoriossa tehty väitöstyö käsitteli pienahitsattujen ultralujien levyrakenteiden hitsausliitosten väsymislujuutta tarkastellen kuormituskomponenttien ja laadun huomioonottamista väsymismitoituksessa. [ www.hitsaus.net ] 2/ 20 21 6 Ultralujien tehokas hyödyntäminen koneenrakennuksessa edellyttää myös aiempaa tarkempia ja tarkoituksenmukaisempia väsymismitoitusmenetelmiä hitsausliitoksille. Työssä kehitettiin myös laskentamalli pienahitsin laskentajännityksen määrittämiseen laattakuormituksessa käyttämällä mitoitusarvona nimellisen jännityksen menetelmän perinteistä FAT36 Kuva 1. Lovijännitykseen perustuvilla menetelmillä, väsymislujuus voidaan arvioida tarkemmin, kuva 1a. Väitöstyön keskeisimpiä tutkimusteemojen tuloksia: (a) epäkeskisten ristiliitosten väsymislujuuden arviointi teholliseen lovijännitykseen perustuen, (b) hitsin juuren laskentajännitys laatan taivutuskuormituksessa ja (c) väsymislujuuden arviointi 4R-menetelmällä hitsatussa ja jälkikäsitellyssä tilassa oleville liitoksille kirjallisuusdatan perusteella. Nykymitoitusohjeissa kuormituskomponentteja (kalvoja taivutuskuormitus) ei oteta huomioon, vaan mitoitus tehdään levyrakenteen pinnassa vaikuttavan maksimijännitykseen perustuen. Antti Ahola. Lisäksi jännityskonsentraatioiden suuruuteen vaikuttaa merkittävästi liitoksen symmetrisyys ja liitoslevyjen epäkeskisyys. Rakenteellisen ja lovitason lokaalien parametrien vaikutusta väsymiseen Työssä havaittiin, että kuormituskomponenteilla on erittäin suuri merkitys lovitason jännityskonsentraatioihin. Väitöstyössä tutkittiin pienahitsattuja liitoksia tarkastellen kahta pääteemaa: . kymitoitusohjeen eivät määritä analyyttisia lausekkeita käytettävälle laskentajännitykselle. Vastaavasti tarkasteltaessa pienahitsin juuresta alkavaa väsymistä nyKuormituksen ja lokaalien vaikutusten huomioonottaminen ultralujien pienahitsausliitosten väsymismitoituksessa Väsymislujuus on yksi oleellisimmista mitoituskriteereistä hitsatuilla ultralujilla teräksillä, koska lujuus itsessään ei oletusarvoisesti paranna hitsattujen liitosten väsymislujuutta verrattuna matalalujuuksisiin teräksiin. Lisäksi mahdolliset hitsin jälkikäsittelyt, jotka ovat oleellisessa osassa varsinkin ultralujissa hitsausliitoksissa, otetaan huomioon mitoituksessa käyttämällä korkeampaa väsymisluokkaa tai korjauskertoimia, jolloin mitoitusmallin geneerisyys kärsii ja väsymiseen vaikuttavia parametreja ei voida ottaa huomioon kvantitatiivisesti
Työn ohjaajana ja väitöstilaisuuden kustoksena toimi professori Timo Björk LUT-yliopistosta. Hitsin jälkikäsittelyjen keskeisenä tavoitteena on parantaa rajaviivan väsymislujuutta joko parantamalla rajaviivan geometriaa (esim. Karlsruhe Institute of Technology (Saksa) ja tohtori Majid Farajian, Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH (Saksa). Tutkimus osoitti, että 4R-laskentamenetelmää voidaan soveltaa sekä hitsatussa tilassa oleville että jälkikäsitellyille liitoksille, kuva 1c. Mitoitusmalli hitsin juuren väsymislujuuden arvioinnille taivutuksessa puuttuu nykyisistä mitoitusohjeista ja -standardeista, vaikkakin Eurokoodi 3:n uudistuksen yhteydessä on ehdotettu myös konservatiivisempaa hitsien voimaparin momenttiin perustuvaa väsymismitoitusmallia, vrt. Antti Ahola Tutkijatohtori LUT-yliopisto antti.ahola@lut.fi VAIKUTTAMINEN KOULUTUS HITSAUSTIETOUS Hitsaavien yritysten kehityksen edistäminen ja toimintaedellytysten varmistaminen Kansainvälisen hitsauskoulutuksen organisointi Hitsaustiedon kokoaminen ja jakaminen SUOMEN HITSAUSTEKNILLINEN YHDISTYS RY. TIG-sulatus tai hionta) tai muuttamalla jäännösjännitystilaa (esim. Väitöstilaisuus LUT-yliopistolla 4.12.2020. Vallitsevasta tilanteesta johtuen väitöstilaisuus järjestettiin yleisön osalta pääasiassa online-tapahtumana. [ www.hitsaus.net ] 2/ 20 21 7 väsymisluokkaa, kuva 1b. Työn esitarkastajana Farajianin lisäksi toimi tohtori Henri-Paul Lieurade, CETIM (Ranska). Mäkelänkatu 36 A 2, 00510 Helsinki Puh./Tel. Työssä jatkokehitettiin 4R-menetelmäksi nimettyä väsymismitoitusmenetelmää, jossa laskennassa otetaan huomioon materiaalin lujuus, rajaviivan laatu, jäännösjännitykset ja ulkoisen kuormituksen jännityssuhde tarkastelemalla lokaalia jännityssuhdetta hitsin rajaviivalla ulkoisen kuormituksen seurauksena. vasarointi). Vastaväittäjinä toimivat professori Thomas Ummenhofer, Kuva 2. Antti Aholan väitöskirja Stress components and local effects in the fatigue strength assessment of fillet weld joints made of ultra-high-strength steels (Jännityskomponenttien ja lokaalien vaikutusten huomioonottaminen ultralujien pienahitsiliitosten väsymismitoituksessa) tarkastettiin LUT-yliopistolla 4.12.2020. kuva 1b. Väitöskirja ja siihen sisällytetyt julkaisut ovat saatavissa LUTPub-tietokannassa: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-335-595-8. +358 9 773 2199 www.hitsaus.net
Testatuista liitoksista ja komponenteista olisi pitänyt määrittää paljon enemmän yksityiskohtia, jotta tulokset olisivat hyödynnettävissä tämän päivän mitoituskriteereillä. Eikö väsytyskoetuloksia ole jo yllin kyllin Suomessa ja maailmalla on tehty valtavasti väsytystestausta, mutta valitettavasti tämän päivän tarpeilla määritettynä melko turhaan. [2], joka keskittyy ennen kaikkea hitsaustekniseen laatuun, eikä kaikissa tapauksissa ota huomioon lujuusteknistä laatua tai esimerkiksi väsyttävän kuormituksen suuntaa. Teräksen, nikkelin, titaanin ja niiden seosten sulahitsaus (paitsi sädehitsaus). Myös uudet ja kehittyneemmät valmistusprosessit ja laadukkuutta lisäävät jälkikäsittelymenetelmät ovat kasvattaneet testaustarvetta. Ei tee, vaikka virtuaalimalleilla pystytään korvaamaan testausta jatkuvasti enenemässä määrin. Hitsatut rakenteet geometrioineen ja materiaaleineen pystytään mallintamaan yksityiskohtaisesti ja siten ennustamaan niiden käyttäytyminen numeerisilla simuloinneilla tarkasti. Toisaalta tarkat mallit, etenkin materiaalimallit ja itse valmistusprosessien (hitsaus ja jälkikäsittelyt) simuloinnit, vaativat kalibrointitestauksia, joten väsymistestauksen määrä ja haasteellisuus vain lisääntyvät. Kaikki on tavallaan aloitettava uudestaan alusta. Matti Koskimäki, Timo Björk, Antti Ahola ja Tuomas Skriko. Hitsiluokat. Silloinen teräsrakenteiden professori oli kiinnostunut HEA-palkista tehdyn kehänurkkaliitoksen väsymislujuudesta, kuva 1 (a). Hitsaus. Professori puolestaan ihmetteli nurkkahitsin väsymättömyyttä ja laskelmiensa paikkansapitävyyttä. Tämä voi johtaa Hitsattujen rakenteiden väsytystestaus – tarvitaanko sitä vielä digiajallakin. Legendan mukaan erikoislaboratoriomestari seurasi kokeen etenemistä ja kun huomasi vihdoin väsymissärön syntyneen, korjasi sen omatoimisesti salaa ikään kuin takuuseen kuuluvana. Uuden tiedon kokeellinen varmistaminen Kuva 1. (a) Kehän nurkkaliitos, joka oli hitsattujen rakenteiden väsytystestauksen prototyyppi Suomessa ja (b) Professori-tason säröntarkastusta rakenneputkiliitokselle 80-luvun alkuvuosilta. Onneksi tilanne selvisi myöhemmin ja tulokset eivät edenneet vääristämään myöhempiä mitoitussuosituksia. Osaltaan tilanne on seurausta mittaustekniikoiden teknologisesta kehittymisestä, ja toisaalta väsymismekanismiin vaikuttavien tekijöiden ymmärryksen ja tiedon lisääntyminen. Tämä tekee rakenteiden väsymistestauksen tarpeettomaksi vai tekeekö. Eli aina kun materiaali, valmistusja jälkikäsittelyprosessi tai käyttöolosuhteet muuttuvat, suunnittelu tar vitsee rakenteen mitoitukseen uutta tietoa detaljien väsymislujuudesta. Näin ollen kokeiden suunnittelijalta ja suorittajilta edellytetään laajempaa ymmärrystä väsymiseen vaikuttavista tekijöistä, jotta kokeissa mitataan oikeita asioita sekä tulokset saadaan kerättyä ja dokumentoitua luotettavasti. Toisaalta uuden tutkimustiedon tarvetta tukevat uudentyyppiset lujat hitsattavat rakennemateriaalit, etenkin lujat teräkset. virheellisiin tulkintoihin kentällä ja edelleen ylimääräisiin kustannuksiin tarpeettomien korjausten muodossa. [ www.hitsaus.net ] 2/ 20 21 8 Hitsattujen rakenteiden väsytystestausta on tehty Suomessakin kokopäivätoimisesti 1970-luvun lopulta lähtien ainakin silloisessa Lappeenrannan teknillisessä korkeakoulussa. Väsymiseen liittyvien standardien puutteellisuus näkyy myös esimerkiksi hitsauksen laatustandardeissa, kuten SFS-EN ISO 5817 (2014). Tuolloinen Hitsaustekniikan erikoislaboratoriomestari oli kuuluisa laadukkaista hitseistään, jotka eivät menneet koskaan rikki. Vaikka hitsausohjeet ja hitsauksen menetelmäkoe [1] ovat hyvinkin tarkasti standardoitu, hitsausliitosten ja -komponenttien väsytystestauksen maailmassa vaikuttaa edelleen villi länsi – testattavista koekappaleista, hitsigeometrioista tai mitoista ei ole olemassa standardisoituja ohjeita
Tämä johtaa tutkimuksen kehitysvaiheessa tilanteeseen, joissa ennusteet ovat jopa perinteisiä peukalosääntö-yksinkertaistuksia epäluotettavampia. Tämä osaltaan tekee väsytystestauksesta haasteellisempaa. ennustetarkkuus paranee. [ www.hitsaus.net ] 2/ 20 21 9 liittyy nimenomaan materiaalin luonteen monimutkaisuuteen, geometrian vaikutuksen simulointi on selkeämpää. mesoscalemallit ovat paljon käytettyjä, mutta tietysti tiede janoaa kohti atomitason kuvauksia. Siirryttäessä todellisen rakenteen testaamisesta kohti materiaalitestausta, testin suorittamisesta tulee kontrolloidumpaa ja tehokkaampaa, mutta tulosten hyödynnettävyys todellisen insinöörirakenteen väsymislujuuden ennustamisen näkökulmasta tulee hankalammaksi. Mitä lokaalisimpiin menetelmiin mennään, sen tarkemmin tarvitaan myös kokeellista detaljitason tietoa alueesta, jolla väsyminen tapahtuu. Tällöin usein mielekkäin tapa lähestyä testausta on valita komponenttitai liitostason väsytystestaus. Kyllä otetaan, mutta materiaalien käyttäytymisen jäljittely on paljon vaativampaa kuin esimerkiksi geometrioiden tai kuormitusten simulointi. Mallinnuksessa voi olla eri tasoja, esim. Mutta kun niistä saadaan oleelliset piirteet hallintaan ja ko. Sitä ohjaavat testattava geometria, testauksen perusteella saavutettavat tulokset ja johtopäätökset sekä joissakin tilanteessa myös viranomaismääräykset tuotestandardikohtaisten tyyppihyväksynnän kautta. Kontinuumiteknisistä materiaalimalleista siirrytään multiscale-malleihin, joissa rakenne kuvataan epäjatkuvana. Mutta usein testauksen tavoitteet ja resurssit ohjaavat testaamaan pienempää osaa rakenteesta – komponenttia, liitosta, materiaalia tai särönkasvua kuvan 3 mukaisesti. Kuva 3. Multiscale-mallinnuksen tasoja (mukaillen [3]). vaativat edelleen testausta. Mutta käytetäänpä mitä tahansa materiaalimallinnustasoa, virtuaalimallien toimivuus pitää testata myös kokeellisesti. Miksi sitten uudet prosessit, materiaalit, jälkikäsittelyt, pinnoitukset, jne. parametreille kokeellisesti varmistetut arvot, Kuva 2. Miksi niiden vaikutusta ei oteta simulointimalleilla huomioon. Väsytyskokeiden geometria ja tavoitteet ovat oleellinen osa väsytystestauksen suunnittelua. Edellä kuvatun testattavan kappaleen koon ja muiden geometriatekijöiden lisäksi ja osittain niihin liittyen testausta ohjaa väsymismitoitusmenetelmä, jota koetulokset tulevat palvelemaan. Kokonaisen rakenteen testauksessa voidaan ottaa huomioon koko suunnitteluja valmistusketjun vaikutukset väsymiskapasiteettiin. Materiaalimallinnus on yksi voimakkaimmin kehittyviä materiaalitutkimuksen alueita. Väsytystestauksen vaihtoehtoja Väsytystestauksen tavoitteiden määrittely ovat oleellinen osa testauksen suunnittelua
Väsytystestausta LUTyliopistossa Oheistoimenpiteet Väsytystestaus vaatii rinnalle usein muita mittauksia, jotta väsytystestattavan liitoksen, komponentin tai rakenteen väsymiseen vaikuttavat ominaisuudet voidaan määritKuva 4. Kun eri muuttujien ja parametrien vaikutus väsymislujuuteen ymmärretään laskennallisen mallin kautta, voidaan väsymislujuus selvittää pienemmällä testisarjalla varmistavin testein. Kokeen aikana perinteiset venymäliuskat ovat edelleen tärkeitä geometriamuotovirheiden ja kiinnityksen ja muiden reunaehtojen aiheuttamien sekundäärijännitysten määrittämiseksi ja geometrisen epälineaarisuuden huomioonottamiseksi, vaikka alkuarvaus sekundäärirasituksille voitaisiinkin tehdä geometriamittausten perusteella. 4R-menetelmässä väsymislujuus karakterisoidaan hitsin rajaviivan tehollisen lovijännitysvaihtelun ja lokaalin jännityssuhteen avulla Kuvan 4 mukaisesti, ja laskentajännityksenä käytetään keskijännityskorjattua ?. Venymäliuskamittauksia voi ja kannattaa täydentää kuvantamisteknologiaan perustuvilla virtuaalisilla venymäliuskoilla (DIC, digital image correlation), ja varsinkin komponenttitason testaus vaatii myös referenssiarvojen tunnistamisen mm. Tätä näkökulmaa vahvasti edustaa myös LUT-yliopistossa kehitetty 4R-menetelmä, jossa hitsattujen ja leikattujen reunojen väsymiseen vaikuttavat parametrit – materiaalin lujuus, jäännösjännitykset, rajaviivan laatu ja ulkoisen kuormituksen jännityssuhde – ovat yhdistetty laskennalliseksi malliksi, jossa parametrien vaikutus väsymiseen on sisäänrakennettu ilman kokeellisesti määritettyjä korjauskertoimia. Jäännösjännitysmittauksia, kuten myös itse väsytyskoetuloksia tulkittaessa on oleellista tunnistaa ja ymmärtää myös testattavan kappaleen tyypin aiheuttamat vaikutukset hitsausmuodonmuutoksiin ja jäännösjännityksiin (pieni liitoskoekappale versus todellinen hitsattu rakenne). 4R-menetelmän lokaalin jännityssuhteen määrittäminen lujuusominaisuuksien, jäännösjännityksen, rajaviivan laadun ja ulkoisen kuormituksen jännityssuhteen avulla. Toisaalta nykyaikaisten moniparametristen mitoitusmallien hyödyntäminen voi myös vähentää testaustarvetta. Ennen kokeen suorittamista tyypillisesti määritetään liitosten geometrinen laatu hyödyntämällä laserskannaus-teknologiaa, johon on olemassa myös integroituja dataanalyysityökaluja [5] tai vastaavasti geometriaparametrit (rajaviivan laatu, geometriset muotovirheet) määritetään luodun pistepilven avulla CAD-ohjelmassa. Vuoden 2021 loppuun mennessä Kuva 5. Lisäksi oleellista on tunnistaa hitsauksen aiheuttamat jäännösjännitykset, jotka voidaan määrittää röntgendiffraktio-menetelmällä. tää. Toisaalta hydrauliikkajärjestelmien hitautta on vuosien saatossa kompensoitu pyörivään nokkakoneistoon, magnetostriktiivisyyteen ja ominaistaajuuteen perustuvilla kuormitusjärjestelyillä. Väsytyslaitteistot LUT-yliopistossa on tarkoituksenmukainen väsytystestauslaitteisto. Kuormituslaitteistot ovat tyypillisesti servohydraulisesti toimivia, mikä mahdollistaa monipuolisen kuormituksen toteuttamisen. k,ref -referenssijännitystä. [ www.hitsaus.net ] 2/ 20 21 10 ja hitaampaa, kun mittaukset vievät aikaa ja resursseja niin ennen testiä, testauksen aikana ja sen jälkeen. Menetelmä ja sen kehitys toki edelleen vaativat kuitenkin kokeellista testausta, jotta laskentamalli voidaan varmistaa kattamaan laadullisesti erilaisia liitoksia ja geometrioita. Väsytystestauksessa on otettava huomioon ja suunniteltava myös tarvittavat mittaukset ennen koetta ja kokeen aikana, sekä on tarkoituksenmukaista myös toteuttaa vertailevaa analyysia numeerisilla menetelmillä.. Esimerkiksi ulkoisen kuormituksen jännityssuhteen (R) vaikutus väsymiskapasiteettiin, ainakin interpoloiden testattujen päätearvojen välillä, voidaan määrittää laskennallisesti, jolloin testausmäärää voidaan vähentää. Suurin osa kuormituslaitteistojen teräsrakenteista on itse suunniteltuja ja valmistettukin. siirtymäantureilla
Miten jatkossa Jotta vältyttäisiin tulevaisuudessa tilanteelta, että nyt tehdyt testaukset eivät olisikaan valideja esimerkiksi 30 vuoden päässä oleviin tarpeisiin, kannattaa ylianalysoida testattavat kohteet. Kuka tahansa osaa rikkoa koekappaleen väsyttämällä, mutta koe ilman asiantuntemukseen perustuvaa analyysiä on haaskausta, johon meillä ei ole varaa. Siren (2017). Testausta ei tulisi kuitenkaan toteuttaa periaatteella: kappale kiinni ja kuormitus päälle, kunnes se rikkoutuu. Laine, A. ( v i u i ) 2 2 . Tämä Deming-regression mukainen tarkastelu määrittää koetuloksista muodostuvan pilven pääjäyhyysakselin. Gale (2015). j =1 n log N f , j n , (2) ja väsymiskapasiteetit vastaavasti: log C mean = . Björk, E. Nopeutta tuotekehitysprosessiin digitaalisella väsymissimuloinnilla. . Siksi testaaminen vaatii paljon muutakin laitteistoa kuin pelkän testipenkin, mutta erityisesti onnistunut väsytystestaus edellyttää asiaan liittyvää osaamista. Lähteet [1] SFS-EN ISO 15614-1:2017 + A1:2019 (2019). Hitsiluokat. Hitsiluokat. pakotettuja kulmakertoimia. k ,ref ,i . Olipa testauksen maksaja kuka tahansa, kalliina operaationa siitä pitää ottaa kaikki mahdollinen hyöty ja varautua jopa tuleviin haasteisiin. . Teräksen, nikkelin, titaanin ja niiden seosten sulahitsaus (paitsi sädehitsaus). Väsytyslaitteistoja on lähes jokaisessa suomalaisessa kokeelliseksi laboratorioksi kutsutussa yksikössä. Koska koetuksista määrittävän vastekäyrän pitäisi kuvata ko. rakennedetaljin jännitysvaihtelun ja kestoiän välistä yhteyttä mahdollisimman täsmällisesti, on analyysiin luontevaa ottaa mukaan molempien päämuuttujien hajonta. Siksi testaaminen vaatii paljon muutakin laitteistoa kuin pelkän testipenkin, mutta erityisesti onnistunut väsytystestaus edellyttää asiaan liittyvää osaamista. Kuva 6. Miten jatkossa Jotta vältyttäisiin tulevaisuudessa tilanteelta, että nyt tehdyt testaukset eivät olisikaan valideja esimerkiksi 30 vuoden päässä oleviin tarpeisiin, kannattaa ylianalysoida testattavat kohteet. Siren (2017). v i 2 . Hitsaustekniikka 1/2017. ( . Hitsausohjeet ja niiden hyväksyntä metalleille. S-N-käyrän kaltevuus (m), koetuloksia kuvaava keskiarvokäyrä (C mean ) ja koetulosten hajonnan huomioonottava karakteristinen suunnittelukäyrä (C char ) voidaan määrittää lausekkeiden, ja S-N -käyrän datapisteiden (N f , ?. Jos tulosjoukko on hyvin loivassa kulmassa, perinteinen menetelmä voi tuottaa 90 astetta väärään suuntaan asettuvan kuvaajan. Se tarkoittaa, että koekappaleesta tulisi määrittää nykyisten 4R-vaatimustason lisäksi: geometria mikrotasolla jäännösjännitys neutronidiffraktiolla materiaalin mikrorakenne: raekoko ja muoto, orientaatio, dislokaatiokylläisuus, mikrorakenne (EBSD), erkauma & sulkeuma -jakauma Yhteenveto Vaikka ei olisikaan taipumusta vandalismiin, rikkominen joko väkisin tai väsyttämällä on lystikäs ja opettavainen prosessi. Tosiasiallisesti nimenmaan jännitys, olkoonpa kuinka lokaalisti määritetty, sisältää enemmän epätarkkuutta ja hajontaa kuin syklimäärät. j =1 n log ?. [3] C. pakotettuja kulmakertoimia. Hyväksyntä menetelmäkokeella. Björk, E. . Tämä Deming-regression mukainen tarkastelu määrittää koetuloksista muodostuvan pilven pääjäyhyysakselin. Hitsausohjeet ja niiden hyväksyntä metalleille. Hitsaus. Hyväksyntä menetelmäkokeella. Gale (2015). Testaus voidaan toteuttaa myös olosuhdekaapissa, jos väsymistä halutaan tutkia normaaliolosuhteista poikkeavassa ympäristössä. Tosiasiallisesti nimenmaan jännitys, olkoonpa kuinka lokaalisti määritetty, sisältää enemmän epätarkkuutta ja hajontaa kuin syklimäärät. Väsytyslaitteistoja on lähes jokaisessa suomalaisessa kokeelliseksi laboratorioksi kutsutussa yksikössä. k,ref ) avulla seuraavasti [7]: m = . Väsytystestauslaitteistoa LUT-yliopiston teräsrakenteiden laboratoriossa. Väsytystestauslaitteistoa LUT-yliopiston teräsrakenteiden laboratoriossa. u i 2 ) 2 +4 . Kuva 6. rakennedetaljin jännitysvaihtelun ja kestoiän välistä yhteyttä mahdollisimman täsmällisesti, on analyysiin luontevaa ottaa mukaan molempien päämuuttujien hajonta. Hitsaustekniikka 1/2017.. Meis & J. ( log N f , i ?mlog ?. [4] A. Jos tulosjoukko on hyvin loivassa kulmassa, perinteinen menetelmä voi tuottaa 90 astetta väärään suuntaan asettuvan kuvaajan. k , ref ,i ) n ja logC char =C mean ?k 1 ?Stdv (3) Jossain erikoistapauksissa (vertailutilanteissa) voi kuitenkin olla syytä käyttää tulosten analysoinneissa myös ns. Olipa testauksen maksaja kuka tahansa, kalliina operaationa siitä pitää ottaa kaikki mahdollinen hyöty ja varautua jopa tuleviin haasteisiin. k ,ref , j n ja v i =log N f ,i . ( log N f , i ?mlog ?. Lähteet [1] SFS-EN ISO 15614-1:2017 + A1:2019 (2019). Principles of Multiscale Modelling of Materials. Kuvassa 6 on LUT-yliopiston terärakenteiden laboratorion väsytyskalustoa ja testausjärjestelyjä. k ,ref , j n ja v i =log N f ,i . Kuvassa 6 on LUT-yliopiston terärakenteiden laboratorion väsytyskalustoa ja testausjärjestelyjä. Erityisjärjestelyt ovat mahdollisia ja LUT:n teräsrakenteiden laboratoriossa on kokemusta mm. Vento, J. Se tarkoittaa, että koekappaleesta tulisi määrittää nykyisten 4R-vaatimustason lisäksi: geometria mikrotasolla jäännösjännitys neutronidiffraktiolla materiaalin mikrorakenne: raekoko ja muoto, orientaatio, dislokaatiokylläisuus, mikrorakenne (EBSD), erkauma & sulkeuma -jakauma Yhteenveto Vaikka ei olisikaan taipumusta vandalismiin, rikkominen joko väkisin tai väsyttämällä on lystikäs ja opettavainen prosessi. ATC Paris 2015. Laine, A. ja u i =log ?. ATC Paris 2015. v i 2 . Kuka tahansa osaa rikkoa koekappaleen väsyttämällä, mutta koe ilman asiantuntemukseen perustuvaa analyysiä on haaskausta, johon meillä ei ole varaa. Huttu & M. [4] A. Digitaaliaikakausi ei tee väsytystestausta turhaksi, se tekee siitä entistä vaativamman lajin. Tulosten analysoinnista Perinteisesti väsytystuloksia käsitellään siten, että hajontaa oletetaan sisältyvän vain kokeessa saatuihin kuormituskertoihin eli sykleihin ja testauksessa käytetty jännitysvaihtelu oletetaan eksaktiksi. Raskinen, T. k ,ref ,i . . S-N-käyrän kaltevuus (m), koetuloksia kuvaava keskiarvokäyrä (C mean ) ja koetulosten hajonnan huomioonottava karakteristinen suunnittelukäyrä (C char ) voidaan määrittä lausekkeiden (1–3), ja S-N käyrän datapisteiden (N f , ?. u i 2 ± . Deming-regressiossa tätä vaaraa ei ole ja lähteessä [6] on osoitettu menetelmän parempi soveltuvuus hitsattujen rakenteiden väsymiskoetulosten analysointiin. Raskinen, T. 3D-palkkirakenteiden multiaksiaalisista, liikkuvien mekanismien ja erilaisten painelaitteiden väsytyskuormituksista. [2] SFS-EN ISO 5817 (2014). Testausta ei tulisi kuitenkaan toteuttaa periaatteella: kappale kiinni ja kuormitus päälle, kunnes se rikkoutuu. Osa 1: Terästen kaarija kaasuhitsaus sekä nikkelin ja nikkeliseosten kaarihitsaus.. [ www.hitsaus.net ] 2/ 20 21 11 LUT:n teräsrakenteiden laboratoriossa tullee olemaan myös 700 kN suuruusluokan suurtaajuuskehä, mikä tulee lisäämään lujien terästen väsymistutkimuskapasiteettia massamme merkittävästi. j =1 n log ?. k , ref ,i ) n ja logC char =C mean ?k 1 ?Stdv (3) Jossain erikoistapauksissa (vertailutilanteissa) voi kuitenkin olla syytä käyttää tulosten analysoinneissa myös ns. Tulosten analysoinnista Perinteisesti väsytystuloksia käsitellään siten, että hajontaa oletetaan sisältyvän vain kokeessa saatuihin kuormituskertoihin eli sykleihin ja testauksessa käytetty jännitysvaihtelu oletetaan eksaktiksi. Principles of Multiscale Modelling of Materials. Osa 1: Terästen kaarija kaasuhitsaus sekä nikkelin ja nikkeliseosten kaarihitsaus.. v i u i , (1) missä missä u i =log ?. Hitsaus. . Meis & J. k,ref ) avulla seuraavasti [7]: ympäristössä. [3] C. . Koska koetuloksista määritettävän vastekäyrän pitäisi kuvata ko. Digitaaliaikakausi ei tee väsytystestausta turhaksi, se tekee siitä entistä vaativamman lajin. Nopeutta tuotekehitysprosessiin digitaalisella väsymissimuloinnilla. Teräksen, nikkelin, titaanin ja niiden seosten sulahitsaus (paitsi sädehitsaus). j =1 n log N f , j n , (2) ja väsymiskapasiteetit vastaavasti: log C mean = . [2] SFS-EN ISO 5817 (2014). Deming-regressiossa tätä vaaraa ei ole ja lähteessä [6] on osoitettu menetelmän parempi soveltuvuus hitsattujen rakenteiden väsymiskoetulosten analysointiin. Vento, J. Huttu & M
5/ 20 20 TEEMA: Alihankinta 6/ 20 20 TEEMA: Hitsaus harrastuksena Ojantie 36, 28130 Pori Puh. Principles of Multiscale Modelling of Materials. Hyväksyntä menetelmäkokeella. Joko väsytyttää. Huttu & M. . Teräksen, nikkelin, titaanin ja niiden seosten sulahitsaus (paitsi sädehitsaus). Matti Koskimäki Laboratorioinsinööri, LUT-yliopisto Timo Björk Professori, LUT-yliopisto timo.bjork@lut.fi Antti Ahola Tutkijatohtori, LUT-yliopisto antti.ahola@lut.fi Tuomas Skriko Head of Welding Technology, LUT-yliopisto tuomas.skriko@lut.fi ALANSA AINOA AMMATTILEHTI Teemat ja aikataulut 2021: NRO TEEMA Ilmoitusvaraukset ilmestyy 3/2021 Laatu, NDT, DT ja Standardit 21.5.2021 14.6.2021 4/2021 Alihankinta 20.8.2021 13.9.2021 5/2021 Korjaushitsaus 15.10.2021 8.11.2021 6/2021 Essenin hitsausmessut 19.11.2021 13.12.2021 Muutokset mahdollisia. j =1 n log ?. [3] C. Björk, E. [5] Winteria (2021). Olipa testauksen maksaja kuka tahansa, kalliina operaationa siitä pitää ottaa kaikki mahdollinen hyöty ja varautua jopa tuleviin haasteisiin. Jossain erikoistapauksissa (vertailutilanteissa) voi kuitenkin olla syytä käyttää tulosten analysoinneissa myös ns. Vento, J. pakotettuja kulmakertoimia. [3] C. Hyväksyntä menetelmäkokeella. Nopeutta tuotekehitysprosessiin digitaalisella väsymissimuloinnilla. Statistical Adjustment of Data. Se tarkoittaa, että koekappaleesta tulisi määrittää nykyisten 4R-vaatimustason lisäksi: geometria mikrotasolla jäännösjännitys neutronidiffraktiolla materiaalin mikrorakenne: raekoko ja muoto, orientaatio, dislokaatiokylläisuus, mikrorakenne (EBSD), erkauma & sulkeuma -jakauma Yhteenveto Vaikka ei olisikaan taipumusta vandalismiin, rikkominen joko väkisin tai väsyttämällä on lystikäs ja opettavainen prosessi. Björk, E. j =1 n log N f , j n , (2) ja väsymiskapasiteetit vastaavasti: log C mean = . Testausta ei tulisi kuitenkaan toteuttaa periaatteella: kappale kiinni ja kuormitus päälle, kunnes se rikkoutuu. Miten jatkossa Jotta vältyttäisiin tulevaisuudessa tilanteelta, että nyt tehdyt testaukset eivät olisikaan valideja esimerkiksi 30 vuoden päässä oleviin tarpeisiin, kannattaa ylianalysoida testattavat kohteet. ATC Paris 2015. [4] A. Lähteet [1] SFS-EN ISO 15614-1:2017 + A1:2019 (2019). Se tarkoittaa, että koekappaleesta tulisi määrittää nykyisten 4R-vaatimustason tekijöiden lisäksi: . [2] SFS-EN ISO 5817 (2014). Väsytyslaitteistoja on lähes jokaisessa suomalaisessa kokeelliseksi laboratorioksi kutsutussa yksikössä. Hitsausohjeet ja niiden hyväksyntä metalleille. Laine, A. geometria mikrotasolla . Hitsaustekniikka 1/2017. Hitsaus. jäännösjännitys neutronidiffraktiolla . Meis & J. Digitaaliaikakausi ei tee väsytystestausta turhaksi, se tekee siitä entistä vaativamman lajin. Hitsaustekniikka 1/2017. Hitsiluokat. E. Siksi testaaminen vaatii paljon muutakin laitteistoa kuin pelkän testipenkin, mutta erityisesti onnistunut väsytystestaus edellyttää asiaan liittyvää osaamista. Dover Publication Inc. Gale (2015). Väsytyslaitteistoja on lähes jokaisessa suomalaisessa kokeellista tutkimusta harrastavassa yksikössä. Testausta ei tulisi kuitenkaan toteuttaa periaatteella: kappale kiinni ja kuormitus päälle, kunnes testattava kohde rikkoutuu. Digitaaliaikakausi ei tee väsytystestausta turhaksi, se tekee siitä entistä vaativamman lajin. Lähteet [1] SFS-EN ISO 15614-1:2017 + A1:2019 (2019). Nopeutta tuotekehitysprosessiin digitaalisella väsymissimuloinnilla. Osa 1: Terästen kaarija kaasuhitsaus sekä nikkelin ja nikkeliseosten kaarihitsaus.. Kuka tahansa osaa rikkoa koekappaleen väsyttämällä, mutta koe ilman asiantuntemukseen perustuvaa analyysiä on haaskausta, johon meillä ei ole varaa. Marine Structures 44: 288–310. Siren (2017). Hitsiluokat. Vento, J. Björk (2015). Siinä tapauksessa ota yhteyttä: Matti Koskimäki, LUT-yliopisto matti.koskimaki@lut.fi, puh. Ota yhteyttä ja keskustele asiantuntijoidemme kanssa lisää älykkäästä hitsauksesta ja kappaleen käsittelystä. materiaalin mikrorakenne: raekoko ja muoto, orientaatio, dislokaatiokylläisuus, mikrorakenne (EBSD), erkauma & sulkeuma -jakauma Yhteenveto Vaikka ei olisikaan taipumusta vandalismiin, rikkominen joko väkisin tai väsyttämällä on lystikäs ja opettavainen prosessi. Osa 1: Terästen kaarija kaasuhitsaus sekä nikkelin ja nikkeliseosten kaarihitsaus.. Miten jatkossa Jotta vältyttäisiin tulevaisuudessa tilanteelta, että nyt tehdyt testaukset eivät olisikaan valideja esimerkiksi 30 vuoden päässä oleviin tarpeisiin, kannattaa ylianalysoida testattavat kohteet. Kuka tahansa osaa rikkoa koekappaleen väsyttämällä, mutta koe ilman asiantuntemukseen perustuvaa analyysiä on haaskausta, johon meillä ei ole varaa. 02 634 1900 retco@retco.fi www.retco.f i Älykkäät ja ohjelmoitavat PEMA Skymaster PRO APSi -käsittelypöydät. Gale (2015). Osa 1: Terästen kaarija kaasuhitsaus sekä nikkelin ja nikkeliseosten kaarihitsaus.. Olipa testauksen maksaja kuka tahansa, kalliina operaationa siitä pitää ottaa kaikki mahdollinen hyöty ja varautua jopa tuleviin haasteisiin. . Huttu & M. Siksi testaaminen vaatii paljon muutakin laitteistoa kuin pelkän testipenkin, mutta erityisesti onnistunut väsytystestaus edellyttää asiaan liittyvää osaamista. k , ref ,i ) n ja logC char =C mean ?k 1 ?Stdv (3) Jossain erikoistapauksissa (vertailutilanteissa) voi kuitenkin olla syytä käyttää tulosten analysoinneissa myös ns. Siren (2017). ja u i =log ?. Hitsiluokat. Nopeutta tuotekehitysprosessiin digitaalisella väsymissimuloinnilla. pakotettuja kulmakertoimia. Teräksen, nikkelin, titaanin ja niiden seosten sulahitsaus (paitsi sädehitsaus). Laine, A. Saatavissa: www.winteria.se [6] T. k ,ref , j n ja v i =log N f ,i . [2] SFS-EN ISO 5817 (2014). Miten jatkossa Jotta vältyttäisiin tulevaisuudessa tilanteelta, että nyt tehdyt testaukset eivät olisikaan valideja esimerkiksi 30 vuoden päässä oleviin tarpeisiin, kannattaa ylianalysoida testattavat kohteet. Björk, E. Meis & J. [4] A. Hitsausohjeet ja niiden hyväksyntä metalleille. Laine, A. Siren (2017). Hitsaus. Hitsaustekniikka 1/2017. ( log N f , i ?mlog ?. . Huttu & M. ( log N f , i ?mlog ?. [ www.hitsaus.net ] 2/ 20 21 12 ja väsymiskapasiteetit vastaavasti: u i =log ?. [3] C. Olipa testauksen maksaja kuka tahansa, kalliina operaationa siitä pitää ottaa kaikki mahdollinen hyöty ja varautua jopa tuleviin haasteisiin. ATC Paris 2015. Teräksen, nikkelin, titaanin ja niiden seosten sulahitsaus (paitsi sädehitsaus). Principles of Multiscale Modelling of Materials. Väsytyslaitteistoja on lähes jokaisessa suomalaisessa kokeelliseksi laboratorioksi kutsutussa yksikössä. Digitaaliaikakausi ei tee väsytystestausta turhaksi, se tekee siitä entistä vaativamman lajin. 040 152 4241 hanna.torenius@pp-marketing.fi HITSAUSTEKNIIKKA-LEHDEN JOKAINEN NUMERO ON ERIKOISNUMERO!. Deming (1943). Raskinen, T. Gale (2015). Hitsausohjeet ja niiden hyväksyntä metalleille. Principles of Multiscale Modelling of Materials. Nykänen & T. [4] A. k ,ref ,i . [2] SFS-EN ISO 5817 (2014). Testausta ei tulisi kuitenkaan toteuttaa periaatteella: kappale kiinni ja kuormitus päälle, kunnes se rikkoutuu. Puhelimella tai tabletilla ohjelmoitavat työkierrot mahdollistavat tasaisen ja laadukkaan lopputuloksen. Kuka tahansa osaa rikkoa koekappaleen väsyttämällä, mutta koe ilman asiantuntemukseen perustuvaa analyysiä on haaskausta, johon meillä ei ole varaa. Se tarkoittaa, että koekappaleesta tulisi määrittää nykyisten 4R-vaatimustason lisäksi: geometria mikrotasolla jäännösjännitys neutronidiffraktiolla materiaalin mikrorakenne: raekoko ja muoto, orientaatio, dislokaatiokylläisuus, mikrorakenne (EBSD), erkauma & sulkeuma -jakauma Yhteenveto Vaikka ei olisikaan taipumusta vandalismiin, rikkominen joko väkisin tai väsyttämällä on lystikäs ja opettavainen prosessi. k ,ref , j n ja v i =log N f ,i . ATC Paris 2015. pakotettuja kulmakertoimia. j =1 n log ?. Vento, J. Meis & J. +358 40 0729 73 Lähteet [1] SFS-EN ISO 15614-1:2017 + A1:2019 (2019). PEMA-käsittelypöytien myynti ja edustus Suomessa: Älykästä ja helppoa 1/ 20 21 TEEMA: Suuria hitsattuja tuotteita www.kemppi.fi Ennennäkemättömän tuottavaa kaarihitsausta X5 FASTMIG Ilmoitusmyynti: Hanna Torenius / T:mi Petteri Pankkonen puh. Raskinen, T. j =1 n log N f , j n , (2) ja väsymiskapasiteetit vastaavasti: log C mean = . . Hitsaus. Raskinen, T. Assessment of fatigue strength of steel butt-welded joints in as-welded condition – Alternative approaches for curve fitting and mean stress effect analysis. k , ref ,i ) n ja logC char =C mean ?k 1 ?Stdv (3) Jossain erikoistapauksissa (vertailutilanteissa) voi kuitenkin olla syytä käyttää tulosten analysoinneissa myös ns. Hyväksyntä menetelmäkokeella. [7] W. Siksi testaaminen vaatii paljon muutakin laitteistoa kuin pelkän testipenkin, mutta erityisesti onnistunut väsytystestaus edellyttää asiaan liittyvää osaamista. k ,ref ,i
Rakenteeseen jäävät jäännösjännitykset eivät välttämättä näy lainkaan ulospäin, mutta voivat aiheuttaa jo lyhyen käyttöjakson jälkeen ikäviä yllätyksiä merkittävästi lyhentyneessä käyttöiässä tai jopa äkillisiä vaurioita. Tästä aiheutuu toisinaan yllättäviä, epämiellyttäviä ja jopa rakenteen toimivuuteen sekä käyttökelpoisuuteen vaikuttavia muodonmuutoksia. Hitsatulla osalla tai rakenteella on jokin toiminnallinen tarve kokonaisuudessa eikä sen valmistaminen ole mahdollista tai järkevää muulla tavalla kuin hitsaamalla – tai vaihtoehtoinen tapa ei kuulu suunnittelijan työkalupakkiin. Nykyaikaisten suunnittelutyökalujen avulla tuote rakennetaan digitaalisesti uudelleen ja haetaan mahdollisuuksia tuotteen valmistuskustannusten ja elinkaaren optimointiin vaihtoehtoisten ratkaisuiden avulla. Erot rakenteen siirtymissä ovat selkeästi nähtävissä. . Suunnitteluvaatimukset Vaativien hitsattujen rakenteiden valmistus ja lopputuotteille asetettavat toiminnalliset sekä laadulliset vaatimukset tuovat mukanaan huomattavia paineita myös tuotteiden suunnittelijoille kuinka kaikki asetetut vaatimukset voidaan suunnittelullisesti saavuttaa siten, että tuotteen tavoitekustannustaso sekä valmistettavuus voidaan varmistaa. Hitsauksen aikana muodostuvien muodonmuutosten huomioiminen. Vaativan ja vähemmänkin vaativan hitsatun rakenteen suunnitteluperusteina tulee olla mm. Kuvassa 1 on esitetty tyypillisiä hitsauksen aiheuttamia muodonmuutostyyppejä, jotka tyypillisesti esiintyvät myös yhdistelminä. Hitsattujen rakenteiden simulointityökalut ovat kehittyneet merkittävästi. Hitsatun rakenteen suunnitteluvaiheessa ei aina tule huomioitua hitsauksen aikana rakenteeseen muodostuvia muodonmuutoksia puhumattakaan rakenteeseen jäävistä jäännösjännityksistä. ylimittaisen hitsin tai epäsymmetrisen hitsin vaikutusta kappaleen muodonmuutoksiin tai voimakkaasti jigiin kiinnitetyn kappaleen rakenteeseen muodostuviin jäännösjännityksiin. Palveluiden tavoitteena on varmistaa yhteistyökumppaneille mahdollisuudet kustannustehokkaiden materiaaliratkaisuiden, valmistusmenetelmien ja tuotteen lopulliseen käyttöympäristöön parhaiten soveltuvien materiaaliratkaisuiden valintaan. . . riotapauksien analyyseissa. Digitaalisia työkaluja hyödyntämällä tuotteen valmistuksen aikaiset vaatimukset voidaan huomioida paremmin ja tuotteelle voidaan suorittaa rakenteellinen optimointi hitsauksen aikaisia muodonmuutoksia simuloimalla tai kehittää dynaamisen kuormituksen kohteena olevien tuotteiden elinikää arvioimalla tuotteeseen hitsauksesta jääviä jäännösjännityksiä. Simulointityökalujen avulla vähäisempi tai vankempikin kokemus voidaan muuttaa analyyttisiksi malleiksi, joiden avulla esimerkiksi vaihtoehtoisten rakenteiden, hitsien paikkojen tai hitsikokojen arviointi muuttuu todelliseksi tiedoksi. Suisto Engineering Oy tarjoaa asiantuntijapalveluina asiakasyritysten tuotekehitysja suunnitteluorganisaatioille tuotteiden valmistettavuusja menetelmätarkasteluita sekä tarkempia rakenneanalyyseja, jotka voivat sisältää tuotteen rakenteen optimoinnin kustannusrakenteen, valmistettavuuden ja elinkaaren osalta. [ www.hitsaus.net ] 2/ 20 21 13 Vaativat hitsatut rakenteet suunnitellaan pääsääntöisesti toiminnallisista lähtökohdista. Hitsauksen aikana muodostuvien jäännösjännitysten minimoiminen. Hitsien luoksepäästävyys siten, että suunnitellut hitsit ovat hitsattavissa. Hitsauksen laadun varmistaminen. Suisto Engineering Oy on tehnyt systemaattista kehitystyötä hitsattujen rakenteiden simuloinnin menetelmäkehityksessä jo yli kymmenen vuoden ajan ja on pystynyt tarjoamaan asiakkailleen erityisiä asiantuntijapalveluita tuotteiden eri kehitysvaiheissa sekä aiemmin suunniteltujen tuotteiden vauVaativien hitsattujen rakenteiden simulointi Vaativien hitsattujen komponenttien ja rakennekokonaisuuksien valmistuksen aikaisten muodonmuutosten tai rakenteisiin muodostuvien jäännösjännitysten hahmottaminen tai suuruusluokan arvioiminen on suunnitteluvaiheessa vaikeaa tai jopa mahdotonta ilman todella vankkaa ja pitkää kokemusta eikä välttämättä sittenkään. Tuotteen valmistuksen ja valmistuksessa käytettävien menetelmien tunteminen tarjoaa mahdollisuuden suunnitteluvaiheessa suurempien rakenteiden osakokoonpanojen Mika Korhonen. Kuvassa 2 on esitetty asiakkaan tuote hitsattuna molemmin puoleisilla pienoilla a-mitalla 3 mm ja kuvassa 3 sama tuote hitsattuna a-mitalla 4 mm. Hitsattu rakenneosa voi muodostua levy-, taetai valukomponenteista, jotka hitsataan yhteen, mahdollisesti lämpökäsitellään, koneistetaan ja hitsataan edelleen laajempaan rakennekokonaisuuteen tai käytetään sellaisenaan. . Suisto tarjoaa asiakkailleen tuotekehitysja suunnittelutoimintojen tueksi valmistettavuusanalyyseja simulointeineen, jolloin suunnittelijat voivat keskittyä tuotteiden toiminallisuuksien optimointiin. Simuloinnilla voidaan nopeasti ja kustannustehokkaasti tarkastella esim. Työkalujen avulla voidaan tuotteen valmistettavuutta ja valmistuksen aikaista laadunhallintaa kontrolloida paremmin ja tuotteen rakennetta, materiaaliratkaisuja sekä tuotteen rakenteessa olevien hitsien sijainteja, tyyppejä tai olemassaoloa voidaan arvioida tarkemmin. Rakenteeseen kohdistuvat kuormitukset ja kuormituksista aiheutuvat jännityskeskittymät sekä niiden sijainti. Samaan aikaan menetelmäkehitys simulointityökalujen hyödyntämisessä on ottanut merkittäviä harppauksia eteenpäin ja tällä hetkellä suurienkin hitsattujen rakennekokonaisuuksien käyttäytymisen arviointi hitsauksen aikana ja rakenteeseen jäävien jäännösjännitysten tasojen arviointi on mahdollista. ympäristövaikutuksiin. . Menetelmäkehitystä on tehty pääsääntöisesti omalla kustannuksella, koska hitsattuihin rakenteisiin liittyvien digitaalisten menetelmien kehittäminen ei ilmeisesti ole ollut julkisesta rahoituksesta päättävien tahojen mielestä riittävän innovatiivista tai ”seksikästä”, vaikka useissa projekteissa tehdyllä kehitystyöllä on osoitettu olevan selkeä vaikutus tuotteiden kilpailukykyyn tai elinkaareen ja sitä kautta esim
Simuloida hitsien aiheuttamat muodonmuutokset ja jäännösjännitykset sekä optimoida hitsausjärjestys. Vaativien hitsattujen tuotteiden valmistaminen erillisinä osakokoonpanoina asettaa toisaalta lisävaatimuksia suunnitteluvaiheessa hitsatun rakenteen valmistusmenetelmien ja -vaatimusten tuntemiselle. Maksimisiirtymä 9,3 mm. Simuloida suunnitellun rakenteen rakenteellinen lujuus tunnettujen rakenteeseen kohdistuvien kuormien sekä mahdollisten standardien, lakien, asetusten tms. Lisäpainoa levynpaksuuden muutoksesta PL3->PL4 tulee 540 kg. 5. Kuva 2. osakokoonpanojen hitsaukseen ja koneistukseen sekä loppukoneistukseen muodonmuutossimuloinnin perusteella. Kuvassa 4 on esitetty kansirakenteen 3Dmalli, josta laadittiin neljä (4) eri konfiguraatiota muodonmuutosten laskentaa varten. Hitsauksen vaikutuksesta kansilevyyn muodostuvat siirtymät kohtisuorassa suunnassa kansilevyä vasten (UY).Kansilevyn paksuus on PL5. Lisäpainoa levynpaksuuden muutoksesta PL4->PL5 tulee 540 kg ja alkuperäisestä levynpaksuudesta PL3>PL5 1080 kg. Simuloida suunnitellun rakenteen rakenteellinen lujuus huomioiden laskennalliset hitsauksen aiheuttamat jäännösjännitykset (esim. Osakokoonpanoissa erityisesti muodonmuutosten ja niiden ennakointi oikeisiin paikkoihin sijoitetuilla työvaroilla nousee merkittävään rooliin. Simuloida rakenteen laskennallinen kestoikä (dynaamisen kuormituksen alaisessa rakenteessa). Tyypillisiä hitsauksen aiheuttamia muodonmuutostyyppejä. Maksimisiirtymä yli 5x verrattuna a-mitalla 3 mm hitsattuun kappaleeseen. Suunnitella tarvittavat työvarat esim. mutta haittapuolena levyn paksuuden lisäämisessä on rakenteeseen muodostuva merkittävä lisäpaino. Vaativien hitsattujen rakenteiden optimointi simulointityökalujen avulla Vaativien hitsattujen komponenttien ja rakennekokonaisuuksien valmistuksen aikaisten muodonmuutosten tai rakenteisiin muodostuvien jäännösjännitysten hahmottaminen tai suuruusluokan arvioiminen on suunnitteluvaiheessa vaikeaa tai jopa mahdotonta ilman todella vankkaa ja pitkää kokemusta. Vaativassa tuotteessa suunnittelun yhtenä lähtökohtana voidaan pitää myös sitä, että kustannusja laatumielessä paras hitsi on sellainen, jota ei rakenteessa ole. Kuva 3. Tuotannon yhteydessä on kuitenkin ilmennyt, että tavoiteltuun tasomaisuusvaatimukseen ei päästä johtuen hitsauksesta aiheutuvista muodonmuutoksista. 2. Hitsauksen vaikutuksesta kansilevyyn muodostuvat siirtymät kohtisuorassa suunnassa kansilevyä vasten (UY), kansilevyn paksuus PL3. 4. Kuva 6. Kuva 5. Jäykisteiden katkohitsit on mallinnettu rakenteeseen erillisinä solid-osina. Maksimisiirtymä on 13,7 mm. lisävaatimusten mukaisesti. Laskentaesimerkkinä esitetään hitsattu kansirakenne, jossa kannen tasomaisuudelle on asetettu toiminnan kannalta tietty toleranssi. optimointiin siten, että niiden käsittely ja hitsaus valmistuksen aikana voidaan suorittaa mahdollisimman tehokkaasti. 1. Kuva 7. 3. Kansirakenteen 3D-malli hitsauksen muodonmuutossimulointiin. Hitsatun kappaleen resultanttisiirtymät symmetrisillä pienoilla, joiden a-mitta on 3 mm. [ www.hitsaus.net ] 2/ 20 21 14 Kuva 1. Kuvassa 5 on esitetty rakenteeseen muodostuvat siirtymät kohtisuorassa suunnassa kansilevyä vasten (UY) kansilevyn paksuus PL3. Kuvassa 6 on esitetty rakenteeseen muodostuvat siirtymät kohtisuorassa suunnassa kansilevyä vasten (UY) kansilevyn paksuus. Maksimisiirtymä 7,5 mm. Kansilevyn paksuus on PL4. dynaamisen kuormituksen alaisessa rakenteessa). Hitsatun kappaleen resultanttisiirtymät symmetrisillä pienoilla, joiden a-mitta on 4 mm. Hitsauksen vaikutuksesta kansilevyyn muodostuvat siirtymät kohtisuorassa suunnassa kansilevyä vasten (UY). Optimoidut osakokoonpanot mahdollistavat myös suurempien rakenteiden valmistuksen suorittamisen useassa pisteessä samanaikaisesti, jolloin kokonaisläpimenoaikaa voidaan lyhentää. Simulointityökalujen avulla vähäisempi tai vankempikin kokemus voidaan muuttaa analyyttisiksi malleiksi, joiden avulla esimerkiksi vaihtoehtoisten rakenteiden, hitsien paikkojen tai hitsien kokojen arviointi muuttuu todellisiksi tiedoksi. Simulointityökalujen avulla voidaan mm. Suunnittelu on esittänyt vaihtoehdoksi kansilevyn paksuuden lisäämisen PL3 -> PL4 tai PL5, Kuva 4
Kuvassa 9 on esitetty yhteenveto kuvissa 5-8 esitetyistä siirtymistä, kuvaajassa on selkeästi havaittavissa simulointien tuloksissa havaittavat erot ja jäykistepalkkien lisäämisen vaikutus. Vaikka tasomaisuuspoikkeamaa saatiin merkittävästi pienenettyä kansilevyn paksuutta muuttamalla (13,7 mm -> 7,5 mm), ei tavoitteeksi asetettuun < 5 mm simulointitulosten perusteella päästy ja samalla rakenteen kokonaispaino lisääntyi merkittävästi, yli 1000 kg. Alkuperäisen rakenteen paino nousi 80 kg, mutta suurin siirtymä pieneni 13,7 mm -> 4,1 mm < 5 mm, OK! Kuva 10. Lisäpainoa jäykistepalkkien lisäyksestä tulee 80 kg. Suisto Engineering Oy on 2014 perustettu toimivan johdon omistama teknologiayhtiö Porissa. Kuvassa 8 on esitetty rakenteeseen muodostuvat siirtymät kohtisuorassa suunnassa kansilevyä vasten (UY) kansilevyn paksuudella PL3 ja kahdella lisätyllä jäykistepalkilla. Tuoteja menetelmäkehityspalvelut 2. Esimerkki tuotantotilanteesta, jossa vaativan hitsatun rakenteen käyttäytyminen on simuloitu ennen tuotannon aloittamista. Tuotteiden vaurioanalyysit 6. Tuotteiden valmistettavuusanalyysit (DFM ja DFMA) 5. Maksimisiirtymä 4,1 mm < 5 mm, OK! hitsattuja rakenneosia tai -kokonaisuuksia koneistetaan hitsauksen jälkeen. Kuvassa 10 on esitetty esimerkki tuotantotilanteesta, jossa ennen tuotantovaihetta oli simulointityökalujen avulla varmistettu oikeat työvaiheet ja oikea hitsausjärjestys siten, että koneistusvaiheessa tarvittavat työvaraa oli jäljellä riittävästi. Simulointitulosten perusteella rakenteen hitsaukselle laadittiin tarkka hitsausjärjestys ja rakenteen (ruostumaton teräs 1.4404, 316L) hitsauksesta aiheutuvat muodonmuutokset saatiin pidettyä hyvin koneistusvaiheen vaatimissa toleransseissa. kapearailo-TIG) sekä testata pienimuotoisesti asiakkaiden valitsemia menetelmäratkaisuja prototai pilot-valmistussarjoina.. Lisäpainoa rakenteelle tulee levyn paksuuden muuttamisesta PL4->PL5 +540 kg ja alkuperäisestä levynpaksuudesta PL3>PL5 1080 kg. Mika Korhonen Toimitusjohtaja mika.korhonen@suistoeng.fi www.suistoeng.fi Kuva 9. Simuloinnin perusteella valittiin kansilevyn paksuudeksi PL3 ja lisättiin rakenteeseen pari jäykistepalkkia. Kansilevyn paksuus on PL5. Palveluksessamme olevilla asiantuntijoilla ja ammattilaisilla on pitkä kokemus raskaiden vaativien hitsattujen rakenteiden valmistusmenetelmistä ja valmistettavuustarkasteluista. Yhteenveto Vaativien hitsattavien rakenteiden simuloinneilla suunnitteluvaiheessa voidaan vaikuttaa merkittävästi rakenteissa valmistuksen aikana muodostuviin muodonmuutoksiin tai dynaamisten kuormituksen vaikutuksen alaisten rakenteiden jäännösjännityksiin. Kansirakenteen simulointien tulokset vertailutaulukkona. Simulointien avulla voidaan pienentää rakenteeseen jätettäviä työvaroja tai yksinkertaisesti varmistaa työvarojen riittävyys, jos Kuva 8. Tekninen laskenta 3. Koska muodonmuutosten simulointi on nopeaa ja suhteellisen edullista verrattuna todellisella rakenteella kokeilemiseen, lisättiin alkuperäiseen rakennemalliin kansilevyn paksuudella PL3 kaksi (2) jäykistettä lisää ja laskettiin hitsauksen aiheuttamat muodonmuutokset uudelleen. Palvelutarjontamme sisältää mm. Hitsaussimuloinnit 4. Projektinhoitopalvelut Käytössämme on menetelmäkehitykseen oma tuotantotila, joissa voimme testata kaikki yleisimmät kaarihitsausmenetelmät (mm. Kuvassa 7 on esitetty rakenteeseen muodostuvat siirtymät kohtisuorassa suunnassa kansilevyä vasten (UY). 1. [ www.hitsaus.net ] 2/ 20 21 15 PL4. Hitsauksen vaikutuksesta kansilevyyn muodostuvat siirtymät kohtisuorassa suunnassa kansilevyä vasten (UY), kansilevyn paksuus PL3 ja rakenteeseen on lisätty kaksi jäykistepalkkia. Myös koneistamattomien hitsattujen rakenneosien tai -kokonaisuuksien yhteensopivuutta kokoonpanovaiheessa voidaan arvioida simulointitulosten perusteella. Erikoisosaamisalueitamme ovat mm. Lisäpainoa rakenteelle tulee levyn paksuuden muuttamisesta +540 kg. rakenneanalyysit, hitsaus, materiaalit, standardit ja dokumentointi. Lisäpainoa rakenteelle tulee jäykistepalkkien lisäämisestä +80 kg
vaikutusta kuormaa kantamattomaan poikittaisen pienahitsin väsymiskestävyyteen, termisesti ja mekaanisesti leikattujen reunojen väsymistä ja siihen vaikuttavien parametrien tunnistamista, hitsauksen jäännösjännitysten mallintamista ja simulointia, hitsin juuren väsymislaskentaa, metallisten tulosteiden mikrorakennetta ja mekaanisia ominaisuuksia sekä lovijännityksen määrittämistä kriittisen etäisyyden menetelmillä. Toteutus tehtiin Zoom-alustalle, jonne esitelmöijätkin osallistuivat eri paikoista. Jäseniä HRO:ssa on noin 40 yritystä. Osana toimintaansa HRO Suunnittelufoorumi teettää diplomitöitä jäsenyrityksille mielenkiintoisista aiheista muutaman vuoden välein. Esitelmien aiheet käsittelivät; väsymismitoitusmenetelmiä, yhdeltä puolen hitsatun T-liitoksen väsymiskestävyyttä, levyjäykisteiden epäkeskisyyden HRO Suunnittelufoorumin webinaari 2020 Hitsattujen Rakenteiden Optimointi -foorumi (HRO) järjestää vuosittain teemapäivät, jossa aihepiiristä kiinnostuneet vaativien rakenteiden suunnittelijat, tuotekehittäjä, tutkijat ja oppilaitosten opettajat kokoontuvat yhteen. [ www.hitsaus.net ] 2/ 20 21 16 Nyt poikkeuksellisesti COVID-19 viruksen takia, teemapäiviä jouduttiin siirtämään ja järjestämään ne webinaarina 2.-3.12.2020. Mielenkiintoiset esitelmät herättivät keskustelua, jota ohjasi hyvin tilaisuuden moderaattorinakin toiminut Antti Ahola. sa Otto Ratala teki diplomityön konepajahitsattujen hitsausliitosten väsymislujuuden arvioinnista eri väsymismitoitusmenetelmillä – soveltaen perinteisiä nimellisen ja rakenteellisen (hot spot) jännityksen menetelmiä sekä nykyaikaisempia tehollisen lovijännityksen ja LUT-yliopistossa kehitettyä ja tämänkin lehden muissa artikkeleissa käsiteltyä 4R-menetelmää. Uudenlainen esitystapa ja osallistuminen vaati teemapäivien sisällön uudelleen rakentamista. Työn tavoitteena oli selvittää, kuinka erilaisia väsymiskestoikiä eri menetelmät ennustavat, ja kuinka hyvin eri menetelmät soveltuvat normaalien konepajalaatuisten hitsausliitosten väsymislujuuden arviointiin. Työ koostui kokeellisesta osasta, jossa HRO SuunnitteJuha Kauppila ja Antti Ahola. Talvella 2019-2020 foorumin puitteisKuva 1. 70 hengen, aktiivisen kuulijakunnan. Tapahtuma keräsi runsaan, n. Webinaarissa käsiteltyjä teemoja: (a) Pienahitsattujen liitosten väsyminen, (b) leikattujen reunojen laadun karakterisointi, (c) hitsausmuodonmuutosten ja -jäännösjännitysten simulointi, (d) 3D-metallitulosteiden mekaaniset ominaisuudet ja (e) lujien terästen kideplastisuuteen perustuvaa multi-scale mallinnusta. Tilaisuuden avasi professori Timo Björk, joka toivotti osallistujat tervetulleiksi webinaariin ja sen jälkeen HRO:n johtoryhmän kokoukseen. Tapahtumapaikka vaihtelee vuosittain, mutta joka toinen vuosi (parillisina vuosina) teemapäivät pidetään LUT-yliopistolla. Antti Ahola esitteli webinaarissa työn keskeisimmän sisällön ja tulokset. Esitelmöijät olivat LUT-yliopiston henkilökuntaa ja tutkijoita
Leikattujen reunojen väsymiskestävyydelle esitettiin leikkauslaadun ja materiaalin lujuuden huomioiva väsymismitoitusmalli kirjallisuudesta kerätyn kokeellisen tutkimusdatan tilastollisen tarkastelun perusteella. Työ kokonaisuudessaan on luettavissa LUTPub-aineistotietokannassa osoitteessa: http://urn.fi/ URN:NBN:fi-fe2020111390299 Käytännön rakenteissa on sideja varusteluliitoksia, joiden hitsaaminen tapahtuu syystä tai toisesta vain toiselta puolelta. Hitsauksen aiheuttamat korkeat jäännösjännitykset ja muodonmuutokset ovat tyypillisesti epätoivottuja ilmiöitä, joilla on vaikutusta sekä tuotteen suorituskykyyn, etenkin väsymislujuuteen, että valmistamiseen. Koesauvoille tyypilliset vauriomuodot ryhmiteltiin elektronimikroskooppikuvista ja niistä nähtiin pinnanlaadun, alkuvikojen ja jäännösjännitystilan vaikutus väsymiskestävyyteen. Tarve ja vaatimukset rakenteiden keventämiselle ovat johtaneet lujien ja ultralujien terästen laajempaan käyttöönottoon edellisen vuosikymmenen aikana. Väsytystestitulosten perusteella suositeltiin laserleikkaamaan väsymiskriittiset reiät käyttäen happikaasua ja ei-kriittiset osat typpikaasuavusteisesti parhaan laadun ja tehokkuuden saavuttamiseksi. ISO 5817 -standardin mukaiset laatumääritykset eivät työn mukaan korreloineet suoraan väsymislaadun kanssa. Tutkija Hamidreza Rohani Raftar esitteli väitöstutkimuksessaan pienahitsattujen liitosten hitsin juuresta alkavaa väsymistä, joka on tärkeä mitoituskriteeri pienaliitoksissa. Webinaarissa Mehran esitteli jatkuvan ja siltahitsien mallintamista ja hitsausjärjestyksen vaikutusta syntyviin muodonmuutoksiin ja jäännösjännitykseen S700 lujuusluokan teräksillä. Työssään Hamidreza on soveltanut hitsin juuren väsymislaskentaan perinteistä nimellisen jännityksen sekä tehollisen lovijännityksen menetelmää. Ahola piti myös esityksen omaan väitöstyöhön liittyvästä teemasta, jossa tarkasteltiin kuormaa kantamattomien poikittaisesti pienahitsattujen levyjäykisteiden epäkeskisyyden vaikutuksesta liitoksen väsymislujuuteen. Työn keskeisenä elementtinä on lämmönlähteen matemaattinen mallintaminen, jonka avulla lämpö-aika-historia voidaan ennustaa. Osana kokeellista tutkimusta mitattiin ja määritettiin myös hitsausliitosten geometrinen laatu ja jäännösjännitykset. Perusmateriaalin lujuuden kasvattaminen ei suoraan lisää väsymiskestävyyttä, mutta aikaansaamalla riittävän laadukas liitos voidaan väsymissärön ydintymisaika ulosmitata osana kokonaisväsymiskestoikää ja siten hyödyntää käytettävän teräslaadun potentiaali täysimääräisesti. Tutkimuksessa nähtiin, että typpikaasua käytettäessä leikkauslaatu huononee levyn paksuuden kasvaessa ja todettiin tarvittavan täydennystä väsytystesteihin paksummilla (t = 20 mm) koesauvoilla väsymiskestävyyden varmistamiseksi. Laskennallisen hitsausmekaniikan (CWM, computational welding mechanics) hyödyntäminen yhdessä elementtimenetelmän kanssa mahdollistaa rakenteen muodonmuutosten ja jäännösjännitysten ennustamisen, jonka mahdollistetaan hitsausprosessin tarkempi huomioonottaminen suunnittelussa ja mitoituksessa, ja toisaalta esimerkiksi valmistusprosessien optimointia. Hitsin pituussuunnassa suoran juuri-geometrian lisäksi tutkimuksissa tuotettiin hitsausliitoksen juuren puolelle aaltomuoto, joka aikaan-saatiin laserleikkaamalla T-liitoksen poikittaisripaan sini-/ puoliaaltokuvio ennen liitoksen hitsaamista. Tulosten perusteella annettiin ohjeellisia suosituksia väsymiskestävyyden arviointiin eri leikkausmenetelmille ja suositeltiin jälkikäsittelyjä erilaisiin käyttökohteisiin. FAT36 suunnitte. Suorilla koesauvoilla tehtyjen kokeiden perusteella arvioitiin leikattujen reikien väsymiskestävyyttä. Kalle Lipiäisen väitöstyö keskittyy termisesti ja mekaanisesti leikattujen reunojen väsymiseen, väsymiseen vaikuttavien parametrien tunnistamiseen ja mitoitusmallien kehittämiseen. Sovellettuja tutkimusmenetelmiä olivat numeeriset FEanalyysit ja kokeelliset väsytystestaukset. Kokeellinen osuus koostui S1100-lujuusluokan pienahitsattujen ristiliitosten väsymistestauksesta sekä jäännösjännitysja geometriamittauksista. Nykyisissä mitoitusohjeissa ja -standardeissa ko. Mehran Ghafourin väitöstyö keskittyy hitsausmuodonmuutosten ja -jäännösjännityksen simulointiin elementtimenetelmällä. liitoksissa epäkeskisyys on otettu huomioon vain, jos pienahitsit ovat kuormaa kantavia eli liitetyt levyosat ovat vaihtelevasti kuormitettuja. Tutkimuksen perusteella FAT225 suunnittelukäyrä todettiin hieman epäkonservatiiviseksi hitsin juuren väsymisen arviointiin, mihin ovat viitanneet myös aiemmat väsymistutkimukset. Materiaaleina käytettiin S355ja S1100-lujuusluokan teräksiä sekä näille soveltuvia hitsauslisäaineita. Työssä havaittiin, että pelkästään ulkoisen geometrisen rajaviivan laadun tarkistaminen ei välttämättä aina riitä, jos hitsin rajaviivalle muodostuu liitosvirhettä. Tuomas Skriko esitteli väsymistutkimusta, jossa tarkasteltiin yhdeltä puolelta MAGhitsatun varusteluliitoksen (T-liitos) juuren puolen väsymiskestävyyttä ja sen parantamista valmistusteknisin keinoin. Lisäksi tutkimuksessa ehdotettiin uusi väsymisluokka ja S-N-käyrän kaltevuus r = 0.3 mm pyöristyssäteelle, joilla etenkin pienahitsattujen ohuiden levyjen väsymisennusteen tarkkuutta pystytään parantamaan. Partanen-XiaoYamada menetelmä) ja lovijännitykseen perustuvat menetelmät (ENS ja 4R-menetelmä) soveltuivat epäkeskisyyden huomioonottamiseen liitoksen väsymislujuutta arvioitaessa. [ www.hitsaus.net ] 2/ 20 21 17 lufoorumin jäsenyritykset valmistivat S700lujuusluokan rakenneteräksestä ja toisesta, itse valitsemastaan materiaalista, hitsausliitokset, jotka väsytystestattiin LUT-yliopiston teräsrakenteiden laboratoriossa. Vastaavasti jännityksen lukeminen 1 mm syvyydestä rajaviivan alta (nk. Laskennallisesti määritetyt ennusteet väsymiskestoi’ille vastasivat parhaiten kokeellisia tuloksia, kun laskennassa hyödynnettiin lovijännitykseen perustuvia menetelmiä. Geometrisessa laatuluokituksessa hyödynnettiin myös hitsien laatustandardia ISO 5817. Kerätty tutkimusdata sisälsi useita lujuusluokkia (fy = 292–1157 MPa), levynpaksuuksia (t = 6–28 mm), ulkoisen kuormituksen jännityssuhteita (R = 0–0.75) ja hitsausprosesseja (MAG-hitsaus, puikkohitsaus ja TIG-hitsaus). Tällöin mitoitusmenetelmissä (kuten 4R-menetelmässä) rajaviivan pyöristykseksi pitäisi olettaa terävä liittymä. Mallin tueksi leikattiin S960 (t = 6 mm) koesauvoja yleisimmin käytössä olevilla menetelmillä. Tällaisissa tapauksissa liitoksen juuren puoli on väsyttävässä kuormituksessa usein kriittinen rakennedetalji, johon nykyohjeistukset antavat vaihtelevia suunnitteluarvoja. Hitsaus on välttämättömän tarpeellinen menetelmä ultralujien levyrakenteiden liittämisessä, ja lujien terästen materiaalikäyttäytymisen ymmärtäminen hitsauksen lämmöntuonnin vaikutuksesta on edellytys niiden tehokkaalle hyödyntämiselle. Lämpökuorman ja lämpötilariippuvaisten materiaaliominaisuuksien perusteella voidaan simuloida liitoksen ja rakenteen muodonmuutoskäyttäytyminen ja jäännösjännitykset. FE-mallien toimivuus verifioitiin myös venymäliuskamittauksin. Jännityskonsentraation vaikutuksesta reikien leikkaamiseen ja sijoitteluun pitää kiinnittää erityistä huomiota. Vaikka FE-analyysien perusteella jännityskonsentraatiot muodostuvat juuren puolen aaltomuodolla paikallisesti suuremmiksi kuin suoralla juurigeometrialla, niin vakioamplitudikuormituksella ja jännityssuhteella R = 0.1 suoritettujen väsytystestien perusteella yhdeltä puolen hitsatun varusteluliitoksen väsymiskestävyyttä on mahdollista parantaa modifioimalla juuren puolen geometriaa edellä mainituin valmistusteknisin keinoin. Typpikaasun käyttäminen rakenneterästen leikkaamisessa on tullut taloudellisesti kannattavaksi yhdessä tehokkaiden (> 8 kW) kuitulaserlähteiden kanssa käytettynä. Kirjallisuudesta kerätyn kokeellisen tutkimusaineiston analysoinnissa sovellettiin perinteisen r = 1 mm fiktiivisen pyöristyssäteen lisäksi r = 0.5 mm ja r = 0.3 mm pyöristyssäteitä, joille sovitettiin keskiarvoja suunnittelukäyrät väsymismitoitukseen. Tarkasteltaessa eri väsymislaskentamenetelmien soveltuvuutta epäkeskisyyden huomioonottamiseen havaittiin, että rakenteellisen jännityksen menetelmä – soveltaen perinteistä insinöörimenetelmistäkin tuttua pintaa pitkin jännityksen ekstrapolointia hot spot-kohtaan – ei pysty ottamaan huomioon epäkeskisyyden vaikutusta. Työssään Ahola tutki numeerisia ja kokeellisia menetelmiä soveltaen epäkeskisyyden vaikutusta kuormaa kantamattomassa tapauksessa havaiten, että epäkeskisyys aiheuttaa liitosalueelle neutraaliakselin paikan muuttumisen seurauksena momenttia, jonka vuoksi aksiaalikuormituksessa liitoksen sisempi rajaviiva on väsymiskriittinen kohta liitoksessa
Juha Kauppila Koulutuspäällikkö Suomen Hitsausteknillinen Yhdistys juha.kauppila@shy.fi ja Antti Ahola Tutkijatohtori LUT-yliopisto, Lappeenranta antti.ahola@shy.fi QUALITY WELDING AND BRAZING CONSUMABLES. TCDmenetelmissä yleisperiaatteena on määrittää todellinen lovijännitysgradientti geometrisen loven alla, josta väsymiseen vaikuttava (tehollinen) lovijännitys määritetään tietyssä pisteessä pinnan alla (PM, point method), keskiarvoistamalla lovijännitysjakauma tiettyyn syvyyteen (LM, line method) tai vaihtoehtoisesti monimutkaisemmissa geometrioissa pinta-alaan tai tilaavuuteen perustetuvilla kriteereillä. Työn alustavat tulokset ovat osoittaneet, että tutkituilla metallitulosteilla ovat erittäin hyvä staattinen lujuus verrattuna materiaalin perinteisillä valmistusmenetelmillä valmistettuihin komponentteihin, mutta vaativat jatkokehitystä, jotta materiaalin väsymiskapasiteetti voidaan täysimääräisesti hyödyntää. Tämä uusi tapa tuoda tapahtumia esille ja helposti saataville tekee mahdolliseksi osallistumisen webinaareihin työpaikalta. Tämä tulee olemaan osaksi myös uusi käytäntö HRO:n tapahtumissa. AM:n, erityisesti koskien metallisia tulosteita, vaikutusten ymmärtäminen osana tulevaisuuden valmistusprosesseja teollisuuden digitalisaation yhteydessä on ehdottoman tärkeää. Vuorovaikutus ja ajatustenvaihto on tiiviimpää, kun kokoontuminen yhteisesti on mahdollista. Kiitokset HRO-foorumille hienosti järjestetyistä Teemapäivistä, jossa sisältö ja esiintyjät keräsivät runsaan osallistujajoukon uudella tavalla. Lisäävä valmistus (AM, additive manufacturing) ja sen tarjoamat mahdollisuudet ovat merkittävsästi laajentuneet teollisiin sovelluksiin. [ www.hitsaus.net ] 2/ 20 21 18 lukäyrä todettiin toimivaksi hitsin juuren väsymislujuuden ennustamiseen, mutta kerätyn koedatan perusteella hajonta koetuloksissa oli melko suuri. Fiktiiviseen loven pyöristykseen perustuvien menetelmien, kuten tehollisessa lovijännityksen (ENS)-menetelmän ja 4R-menetelmän, lisäksi vaihtoehtoisena tarkastelutapana väsymiseen vaikuttavan lovijännityksen määritykseen on enenevissä määrin sovellettu kriittisen etäisyyden menetelmiä (TCD, the theory of critical distances). Perinteinen HRO-Teemapäivä syksyllä 2021 pyritään järjestämään fyysisenä tapahtumana, jos yleinen tilanne niin sallii. Työssään Afkhami on määrittänyt tulosteiden mm. Tutkijatohtori Mohammad Dabiri sovelsi tutkimuksessaan kideplastisuuden huomioonottavaa TCD-menetelmää S960-teräksestä valmistettujen lovellisten sauvojen väsymisen arviointiin vähäisten syklimäärien väsymisessä (LCF, low-cycle fatigue) simuloimalla jännitys-venymä-käyttäytymisen ja vertaamalla sitä kokeellisesti määritettyyn käyttäytymiseen. tulosteiden fyysisiä ominaisuuksia (tiheys), mikrorakennetta, mekaanisia ominaisuuksia (kuten staattinen lujuus ja väsymislujuus), ja orientaation vaikutusta. Väitöskirjatutkija Shahriar Afkhami esitteli tutkimustaan kahden metallitulosteissa suositun materiaalin, ruostumattoman 316L laadun ja työkaluteräksen 18Ni300, ominaisuuksista metallitulosteissa. Valmistusprosessien ja metallitulosteiden laatu ja luotettavuus vaativat silti tutkimusta, erityisesti kriittisissä komponenteissa, kuten energiatuotannon turbiiniosissa ja lentoteollisissa sovelluksissa. Lovijännitysmenetelmien kehittyminen ja käyttäminen hitsattujen rakenteiden väsymislujuuden arvioinnissa on lisännyt merkittävästi suosiotaan viime vuosikymmenen aikana